DE102017004105B4 - Magnetically bistable axially symmetric linear actuator with pole contour, device with this and switching matrix for tactile applications - Google Patents

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Abstract

Magnetisch bistabiler axialsymmetrischer Linear-Aktuator (A) für taktile Anwendungen mit einem hartmagnetischen Stab (1), welcher an einem Ende tellerartig (1b) erweitert ist und mit einer auf einer Leiterplatte angeordneten Spule (3), in welcher der Stab (1) frei in axialer Richtung beweglich ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (1) aus einem Material mit sehr hoher Koerzitivfeldstärke besteht, dass dieser axial von einer höchstens gleich langen, hartmagnetischen Hülse (2) mit deutlich geringerer Koerzitivfeldstärke umschlossen und in axialer Richtung frei beweglich ist und dass der Stellweg des Stabs (1) durch dessen Überlänge (h) im Vergleich zur Länge der hartmagnetischen Hülse (2) festgelegt ist, derart, dass sich an einem Ende des Stabs (1) ein Hilfs-Pol (1a) und am gegenüberliegenden Ende ein tellerartiger Haupt-Pol (1b) ausbildet und dass die Spule (3- umfassend mehrere Windungen - die Hülse (2) vollständig umgibt, wobei ausschließlich die Hülse (2), nicht aber der Stab (1) umpolbar ist und eine bistabile lineare Bewegung des Stabs (1) erzielt wird.Magnetically bistable axially symmetrical linear actuator (A) for tactile applications with a hard magnetic rod (1) which is widened at one end in a plate-like manner (1b) and with a coil (3) arranged on a circuit board in which the rod (1) is freely movable in the axial direction, characterized in that the rod (1) consists of a material with a very high coercive field strength, that it is axially enclosed by a hard magnetic sleeve (2) of at most the same length with a significantly lower coercive field strength and is freely movable in the axial direction and that the travel of the rod (1) is determined by its excess length (h) in comparison to the length of the hard magnetic sleeve (2), such that an auxiliary pole (1a) is formed at one end of the rod (1) and a plate-like main pole (1b) is formed at the opposite end and that the coil (3 - comprising several turns - completely surrounds the sleeve (2), whereby only the sleeve (2), but not the rod (1), can be reversed. and a bistable linear movement of the rod (1) is achieved.

Description

Die Erfindung betrifft, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, einen magnetisch bistabilen axialsymmetrischen Linear-Aktuator. Weiterhin betrifft die Erfindung Vorrichtungen mit diesem für taktile Anwendungen, gemäß Patentanspruch 5. Weiterhin betrifft die Erfindung, gemäß Patentanspruch 14, eine Schaltmatrix zur Ansteuerung von Zeilen-und Spalten-weise verbundener Spulen bei einer Vorrichtung nach Patentanspruch 5. Schließlich betrifft die Erfindung, gemäß Patentanspruch 20, eine intuitiv nutzbare optisch-taktile Sehhilfe zur Substitution des menschlichen Seh-Sinns mit Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 13 und einer Schaltmatrix nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 19.The invention relates, according to the preamble of claim 1, to a magnetically bistable axially symmetrical linear actuator. The invention also relates to devices with this for tactile applications, according to claim 5. Furthermore, the invention relates, according to claim 14, to a switching matrix for controlling coils connected in rows and columns in a device according to claim 5. Finally, according to claim 20, the invention relates to an intuitively usable optical-tactile visual aid for substituting the human sense of sight with a device according to one or more of claims 5 to 13 and a switching matrix according to one or more of claims 14 to 19.

Taktile Displays (Braille-Zeilen) zur Ausgabe der Daten von Computern (PCs) für sehbehinderte Menschen sind seit langem bekannt. Mit der Einführung von grafischen Bedienoberflächen (z.B. „Windows“- Betriebssystem) an PCs und mit der wachsenden Verbreitung von Bildschirm-orientierten Betriebssystemen und grafischer Benutzer-Software wird seitens der Sehbehinderten der Ruf nach neuartigen Grafik-Displays auf taktiler Basis laut. Man stellt sich hier z.B. eine Matrix von 200x400 taktilen Stiften auf einer Abtastfläche vergleichbar mit DIN A4 vor. Somit muss eine flächenmäßig dichte Aneinanderreihung der zum Stiftantrieb erforderlichen Aktuatoren möglich sein. Gerade im Hinblick auf die wachsende Zahl mobiler IT-Geräte (Notebooks, Laptops, Smart- phones oder intelligente Uhren) ist zudem besonderer Augenmerk auf möglichst geringe Bauhöhe der Display-Einheit, bei gleichzeitig minimalem Energiebedarf zu richten. Insbesondere entsteht die Notwendigkeit, auch großflächige taktile Anzeige-Vorrichtungen mit einer großen Anzahl von Einzelstiften (z.B. 200 x 400) bereitzustellen. Speziell für die reine Grafik-Ausgabe wünscht man zusätzlich Stift-Abstände von maximal 2.0mm. Im Vergleich zu den Braille-Zellen zur Schrift-Symboldarstellung (8 Stifte, Abstand = 2.5mm pro Symbol, zusätzlicher lateraler Raum zwischen den einzelnen Symbolen) stellt dies eine deutlich höhere Anforderung dar.Tactile displays (Braille lines) for displaying data from computers (PCs) for visually impaired people have been known for a long time. With the introduction of graphical user interfaces (e.g. "Windows" operating system) on PCs and the increasing popularity of screen-oriented operating systems and graphical user software, visually impaired people are calling for new types of tactile-based graphic displays. For example, one can imagine a matrix of 200x400 tactile pens on a scanning surface comparable to DIN A4. This means that the actuators required to drive the pens must be arranged close together in terms of area. Particularly in view of the growing number of mobile IT devices (notebooks, laptops, smartphones or smart watches), special attention must be paid to keeping the height of the display unit as low as possible while simultaneously using minimal energy. In particular, there is a need to provide large-area tactile display devices with a large number of individual pins (e.g. 200 x 400). For pure graphic output in particular, pin spacing of a maximum of 2.0mm is also required. Compared to the Braille cells for displaying written symbols (8 pins, spacing = 2.5mm per symbol, additional lateral space between the individual symbols), this represents a significantly higher requirement.

Auf Grund der komplexen Randbedingungen bei der Nutzung taktiler braille-Zeilen haben sich Piezo-Antriebe für die Stifte am Markt durchgesetzt. Die in der Regel als Biege-Elemente arbeitenden, sehr teuren keramischen Aktuatoren erfordern allerdings zusätzliche mechanische Kraftumlenkungen, um eine senkrecht zur Abtastfläche verlaufende Stiftbewegung überhaupt zu realisieren. Im Zusammenspiel mit der zur Aktuator-Ansteuerung benötigten Hochspannung ergibt sich bis heute speziell in Hinsicht auf Flächendisplays ein enorm hohes Preisniveau. Jüngste Schätzungen für den Preis eines taktilen Flächendisplays (7600 Stifte) kommen in die Größenordnung des Jahreslohns eines sehr gut verdienenden Angestellten.Due to the complex conditions when using tactile Braille lines, piezo drives for the pens have become established on the market. The very expensive ceramic actuators, which usually work as bending elements, require additional mechanical force deflections in order to even realize a pen movement perpendicular to the scanning surface. In combination with the high voltage required to control the actuator, this results in an extremely high price level, especially with regard to surface displays. The latest estimates for the price of a tactile surface display (7600 pens) are in the order of magnitude of the annual salary of a very well-paid employee.

Die mechanischen, elektrischen und preislichen Nachteile der etablierten Piezomodule führten auch dazu, dass bis heute für Blinde keine „Barrierefreiheit“ im gesamten Selbstbedienungsbereich gegeben ist. Seien es Fahrkartenautomaten mit grafischer Streckendarstellung, Getränkeautomaten oder Geld/ Bank-Automaten: der Blinde hat keine Chance, diese Geräte diskret zu nutzen, weil in der Regel schlicht kein für ihn geeignetes taktiles Ausgabemedium eingebaut ist.The mechanical, electrical and price disadvantages of the established piezo modules have also led to the fact that to this day there is no "barrier-free" access for blind people in the entire self-service area. Whether it is ticket machines with graphic route displays, drinks machines or cash/bank machines: blind people have no chance of using these devices discreetly because there is usually no suitable tactile output medium built in.

Im Zusammenhang mit den benötigten Mindestkräften (z.B.: 0.3N) für einen zuverlässigen Abtastvorgang durch den fühlenden Finger sind kleine Stiftabstände ein grundsätzliches Problem, da bei allen Axial-Aktor - Typen in der Umgebung des taktilen Stifts eine ausreichende Menge von Funktions- Material - hier z.B. beim magnetischen Aktuator vor allem eine Spule mit einer hohen Anzahl von Draht-Windungen - angebracht werden muss. Die simple Aneinander-Reihung von allen axialen Aktuatoren des taktilen Displays in einer Ebene (parallel zur Ebene der Taststifte) ist deshalb aus räumlichen Gründen nicht möglich.In connection with the minimum forces required (e.g. 0.3N) for a reliable scanning process by the sensing finger, small pin spacing is a fundamental problem, since with all axial actuator types a sufficient amount of functional material must be attached in the vicinity of the tactile pin - in this case, for example, with the magnetic actuator, this primarily means a coil with a large number of wire turns. The simple arrangement of all axial actuators of the tactile display in one plane (parallel to the plane of the stylus) is therefore not possible for spatial reasons.

Das Problem enger Rasterung trifft natürlich auch auf die meist elektrische Ansteuerung der Aktuatoren zu. Gerade bei Piezo-Anwendungen ist dies besonders kritisch, da elektrische Hochspannungs-Module eingesetzt werden. Letztlich ist bei allen Aktuator- Typen eine beträchtliche Fläche für die Unterbringung der in der Regel integrierten Schaltkreise (IC's) bereitzustellen. Dies wird meist durch seitliche Anbringung der IC's neben der Aktuatorfläche gelöst, macht also das Display insgesamt weniger kompakt.The problem of tight spacing also applies to the mostly electrical control of the actuators. This is particularly critical in piezo applications, as high-voltage electrical modules are used. Ultimately, all actuator types require a considerable area to accommodate the integrated circuits (ICs). This is usually solved by attaching the ICs to the side next to the actuator surface, making the display less compact overall.

Auf Grund der heutigen Marktsituation bei taktilen Displays kann die folgende Betrachtung mit dem Schwerpunkt auf Piezo-keramischen Aktuatoren geführt werden. Diese Technologie repräsentiert derzeit noch den Stand der Technik auf diesem Gebiet, wie z.B. eine Vor-Studie zum „HyperBraille“ - Projekt (Bericht des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie, 10115 Berlin, April 2010, www.bmwi.de) aufzeigt.Due to the current market situation for tactile displays, the following discussion can focus on piezo-ceramic actuators. This technology currently represents the state of the art in this field, as shown by a preliminary study on the "HyperBraille" project (report by the Federal Ministry of Economics and Technology, 10115 Berlin, April 2010, www.bmwi.de).

Für großflächige Displays müssen die Aktuatoren sehr eng aneinander gereiht werden. So ergibt sich hier bei Piezo-Lösungen eine beträchtliche Bauhöhe durch z.B. komplizierte Stapeltechniken von mehreren Platinen, was dazu führt, dass insbesondere für mobile Anwendungen die Piezotechnik wenig attraktiv ist - nicht zuletzt wegen Sicherheitsaspekten im Zusammenhang mit der benötigten elektrischen Hochspannung (> 100V) zur Ansteuerung der eigentlichen Biege-Elemente.For large-area displays, the actuators must be arranged very closely together. Piezo solutions therefore have a considerable height due to, for example, complicated stacking techniques for several circuit boards, which means that piezo technology is not very attractive, especially for mobile applications - not least because of safety aspects in connection with the high electrical voltage (> 100V) required to control the actual bending elements.

Vor allem ist bei jeder Piezo-Lösung nachteilig, dass mindestens eine stabile Stift-Position („oben“ oder „unten“) nur durch permanente elektrische Ansteuerung zu realisieren ist. Im energiesparenden „Aus-Zustand“ des gesamten Displays ist somit keine gültige Anzeige der Daten gewährleistet.The main disadvantage of any piezo solution is that at least one stable pin position ("up" or "down") can only be achieved through permanent electrical control. In the energy-saving "off" state of the entire display, valid display of the data is therefore not guaranteed.

Die Mehrzahl der taktilen Displays verwendet Piezo-Aktuatoren, verbunden mit all ihren resultierenden Nachteilen (hoher Preis, große Bauhöhen, permanente elektrische Hochspannung, mechanische Zusatz-Vorrichtungen zur Kraftübertragung), wie z.B. in DE 103 49 100 A1 für ein 10-stiftes Flächenmodul beschrieben. Die Problematik von Piezo-Aktuatoren beim Einsatz in Flächendisplays, insbesondere die mechanischen und elektrischen Anforderungen werden bei der DE 103 49 100 A1 durch aufwändige Stapelverfahren einer Vielzahl von Einzelplatinen gelöst. Beim Einsatz im Zusammenhang mit taktilen Stiften ist für den Aktuator gefordert, dass die jeweilige „oben“ und „unten“ - Position klar definiert sind und eine genügende Haltekraft (z.B. 400 mN) bereitgestellt wird. Bei DE 103 49 100 A1 wird ebenfalls eine Piezo-Flächen-Lösung angeboten, allerdings zeigt der Einsatz zusätzlicher mechanischer Elemente (Kniehebel-Getriebe) wiederum die grundsätzliche Schwierigkeit, einen eindeutigen, klar tastbaren „oben“ oder „unten“ Zustand des Stifts zu gewährleisten.. Allein die Vorrichtung der mechanischen Kraftübertragung nimmt geometrisch erheblichen Raum ein, die räumliche Unterbringung der Ansteuer-IC's und Steckverbinder zu einem Bus-System treiben die Bauhöhe in senkrechter Richtung nochmals nach oben.The majority of tactile displays use piezo actuators, with all their resulting disadvantages (high price, large installation heights, permanent high electrical voltage, additional mechanical devices for power transmission), such as in EN 103 49 100 A1 for a 10-pin surface module. The problems of piezo actuators when used in surface displays, especially the mechanical and electrical requirements, are discussed in the EN 103 49 100 A1 by complex stacking processes of a large number of individual circuit boards. When used in conjunction with tactile pens, the actuator must have a clearly defined “up” and “down” position and a sufficient holding force (e.g. 400 mN). EN 103 49 100 A1 A piezo surface solution is also offered, but the use of additional mechanical elements (knee lever gear) again shows the fundamental difficulty of ensuring a clear, clearly palpable "up" or "down" state of the pin. The device for mechanical power transmission alone takes up a considerable amount of geometric space, and the spatial accommodation of the control ICs and connectors to a bus system pushes the height even higher in the vertical direction.

DE 10 2010 005 933 A1 zeigt ebenfalls diese Problematik auf hier wird neben der Verwendung eines Keilgetriebes bei der Rückstellung der Stifte sogar auf die Schwerkraft vertraut, was vor dem Hintergrund von mobilen Anwendungen mit Problemen in Hinsicht auf die Korrektheit der Datenanzeige behaftet ist. EN 10 2010 005 933 A1 also shows this problem here, in addition to the use of a wedge gear for resetting the pins, gravity is even relied upon, which, against the background of mobile applications, is fraught with problems with regard to the correctness of the data display.

US 2010/0085168 A1 stellt eine flächige Anordnung von linearen Aktuatoren, d.h. eine flächige Anordnung von Piezo-Einzelelementen parallel zur Stiftebene vor, bezieht sich jedoch ausdrücklich auf lineare Piezo-Aktuatoren, wobei völlig offen gelassen wird, wie der doch recht beträchtliche notwendige taktile Hub von ca. 0.7 mm technisch realisiert werden kann. Die Schwierigkeit, kleine Stiftabstände (unter 2.5mm) zu erhalten wird bereits aus der dortigen Darstellung (1) klar. In der US 2010/0085168 A1 wird an keiner Stelle darauf eingegangen, wie die geforderten Mindestkräfte im Zusammenhang mit der Dimensionierung der Piezo-Bauteile erreicht werden können. US 2010/0085168 A1 presents a planar arrangement of linear actuators, ie a planar arrangement of individual piezo elements parallel to the pin plane, but refers explicitly to linear piezo actuators, leaving completely open how the rather considerable necessary tactile stroke of approx. 0.7 mm can be technically realized. The difficulty of achieving small pin distances (less than 2.5 mm) is already clear from the illustration there (1). In the US 2010/0085168 A1 At no point is it discussed how the required minimum forces can be achieved in connection with the dimensioning of the piezo components.

In DE 10 2007 022 056 A1 wird unter realistischen Bedingungen (bezüglich Kräften und räumlicher Dimension der Piezo - Aktuatoren) versucht, ein Flächendisplay zu ermöglichen. Es ist eine Vielzahl von Platinen erforderlich, bei denen allerdings nur ein Randbereich genutzt wird, um die Piezo-Aktuatoren aufzunehmen. Die Montage des Gesamt-Displays ist aufwändig und resultiert in einer z.B. für mobile Anwendungen nicht akzeptablen Bauhöhe des Gerätes.In EN 10 2007 022 056 A1 An attempt is being made to create a surface display under realistic conditions (with regard to forces and spatial dimensions of the piezo actuators). A large number of circuit boards are required, but only an edge area is used to accommodate the piezo actuators. The assembly of the entire display is complex and results in a device height that is unacceptable for mobile applications, for example.

Ein mit magnetischen Aktuatoren versehenes Flächendisplay, insbesondere einen Display-Ansätze für mobile Lösungen zeigt DE 198 27 666 A1 , wo zwar neben Piezo-Aktuatoren auch elektromagnetische Aktuatoren erwähnt werden, jedoch erfolgt hier die Ansteuerung der Stifte nur zeilenweise, durch einen zusätzlichen, mechanisch zu verschiebenden Steuerwagen. Die dargestellte magnetische Version beinhaltet zudem eine Vielzahl von zusätzlichen mechanischen Rast- und HebelVorrichtungen. Demgemäß wird hier das Problem des hohen Platzbedarfs der Ansteuer-Spulen gelöst, indem die magnetischen Aktuatoren von dem mechanisch zu bewegenden Steuerwagen aus die Stifte nur zeilenweise auf die „oben“ oder „unten“ Position stellen. Eine schnelle elektrische Einzel-Adressierung der Stifte - wie für grafische PC-Anwendungen unbedingt erforderlich - ist hier keinesfalls gegeben.A surface display equipped with magnetic actuators, in particular a display approach for mobile solutions, shows DE 198 27 666 A1 , where electromagnetic actuators are mentioned alongside piezo actuators, but here the pins are only controlled line by line, by an additional control car that is moved mechanically. The magnetic version shown also contains a large number of additional mechanical locking and lever devices. Accordingly, the problem of the large space requirement of the control coils is solved here by the magnetic actuators from the mechanically moved control car only setting the pins to the "up" or "down" position line by line. Fast electrical individual addressing of the pins - as is absolutely necessary for graphic PC applications - is by no means possible here.

Ein prinzipiell ähnliches Vorgehen wird in DE 10 2014 011 326 A1 beschrieben. Auch hier sind die Positionen eines taktilen Flächendisplays nicht einzeln adressierbar und es ist eine Fülle von mechanischen Führungs- Halte- und Umsetz - Elementen zur Realisierung einer stabilen oben / unten Position der taktilen Stifte vorgesehen. In der Beschreibung wird auch die bisher ungelöste Problematik gerade des Einsatzes von Elektromagneten im taktilen Umfeld (typ. Raster ca. 2,5mm) betont. Für ein kompaktes - vielleicht sogar mobiles - taktiles Flächen-Anzeigegerät ist die vorgestellte Lösung auf jeden Fall ebenfalls nicht geeignet.A fundamentally similar approach is used in EN 10 2014 011 326 A1 described. Here too, the positions of a tactile surface display cannot be addressed individually and a multitude of mechanical guide, holding and repositioning elements are provided to achieve a stable top/bottom position of the tactile pins. The description also highlights the as yet unsolved problem of using electromagnets in a tactile environment (typical grid approx. 2.5mm). The solution presented is also definitely not suitable for a compact - perhaps even mobile - tactile surface display device.

Im US Patent 4,259,653 A1 wird ein bistabiler linearer Aktuator mit PermanentMagneten vorgestellt. Jedoch ist die gerade bei taktilen Anwendungen wichtige „oben-Position“ hier die am wenigsten stabile (geringste Kraft des Systems) und bei Strom-Abschaltung der Spule fällt das System sofort in die „unten-Position“, womit vor allem eine zuverlässige Darstellung der Daten im elektrischen „Aus-Zustand“ des Displays nicht mehr möglich ist.In the US Patent 4,259,653 A1 A bistable linear actuator with permanent magnets is presented. However, the "up position", which is particularly important for tactile applications, is the least stable (lowest force in the system) and when the coil is switched off, the system immediately falls into the "down position", which means that a reliable representation of the data in the electrical "off" state of the display is no longer possible.

Auch eine in der US 4 831 372 A beschriebene magnetisch betätigte Informationsanzeigevorrichtung arbeitet im Prinzip elektromagnetisch bistabil, hier werden jedoch keinerlei Kräfte nach außen übertragen, es wird lediglich im Inneren einer geschlossenen optischen Display-Zelle eine Zwischenwand verschoben. Auch hier ist eine Fülle von zusätzlichen Führungs- und Endanschlags - Elementen erforderlich. Im Einzelnen umfasst die Informationsanzeigevorrichtung ein starres, permanent magnetisiertes Anzeigesegment, das beweglich in einer nichtmagnetischen Kammer mit einem transparenten Sichtfenster montiert ist und ein opakes Fluid enthält, dessen Farbe mit der Farbe der Anzeigevorrichtung kontrastiert. Ein an der Rückseite der Kammer befestigter Kern ist in der Lage, selektiv magnetisiert zu werden, um das Anzeigesegment entsprechend der ausgewählten magnetischen Polarität des Kerns abzustoßen oder anzuziehen. Die Abstoßung des Anzeigesegments durch den Kern bewirkt, dass sich das Anzeigesegment in Richtung des transparenten Fensters bewegt, durch das die Farbe des Anzeigesegments betrachtet werden kann, wenn das opake Fluid von dem transparenten Fenster weg verschoben wird. Die Anziehung des Anzeigesegments durch den Kern bewirkt, dass sich das Anzeigesegment von dem transparenten Fenster weg bewegt, wodurch ermöglicht wird, dass das opake Fluid die Betrachtung des Anzeigesegments beeinträchtigt. In dieser Position wird die Farbe der opaken Flüssigkeit durch das transparente Fenster betrachtet. Die Bistabilität der magnetisch betätigte Informationsanzeigevorrichtung wird durch den Restmagnetismus im Kern erreicht, der auf das permanent magnetisierte Anzeigesegment wirkt. Dabei wird die Dauer und die Größe der Energie minimiert, die angewendet werden muss, um eine Änderung in der Anzeige von Information einzuleiten Eine Vielzahl von Anzeigevorrichtungen kann in einem Array kombiniert werden, um ein Anzeigefeld mit einer verbesserten Auflösung des angezeigten Bildes zu bilden.Also one in the US 4 831 372 A The magnetically operated information display device described works in principle in an electromagnetically bistable manner, but here no forces are transmitted to the outside, only a partition wall is moved inside a closed optical display cell. Here too, a wealth of additional guide and end stop elements are required. More specifically, the information display device includes a rigid, permanently magnetized display segment movably mounted in a non-magnetic chamber having a transparent viewing window and containing an opaque fluid whose color contrasts with the color of the display device. A core attached to the back of the chamber is capable of being selectively magnetized to repel or attract the display segment according to the selected magnetic polarity of the core. Repulsion of the display segment by the core causes the display segment to move toward the transparent window through which the color of the display segment can be viewed when the opaque fluid is displaced away from the transparent window. Attraction of the display segment by the core causes the display segment to move away from the transparent window, allowing the opaque fluid to interfere with viewing of the display segment. In this position, the color of the opaque fluid is viewed through the transparent window. The bistability of the magnetically actuated information display device is achieved by the residual magnetism in the core acting on the permanently magnetized display segment, minimizing the duration and amount of energy that must be applied to initiate a change in the display of information. A plurality of display devices can be combined in an array to form a display panel with improved resolution of the displayed image.

Magnetische Linerar-Aktuatoren werden auch in US 3,755,766 und US 4,072,918 beschrieben. Die Problematik der stabilen Endlage wird hier durch zusätzliche Federsysteme gelöst. Allerdings hindern gerade diese Federn das System an einer schnellen Reaktion auf Steuersignale (Gegenrichtung), schwächen die „oben-Haltekraft“ und machen den Aufbau zusätzlich kompliziert. Zur Behandlung der Kräfte-Problematik sind zudem weichmagnetische Fluß-Leitvorrichtungen erforderlich, wodurch der Aktuator weder kompakt noch preiswert zu fertigen ist.Magnetic linear actuators are also used in US$3,755,766 and US$4,072,918 described. The problem of the stable end position is solved here by additional spring systems. However, these springs prevent the system from reacting quickly to control signals (in the opposite direction), weaken the "top holding force" and make the structure even more complicated. In order to deal with the force problem, soft magnetic flux guide devices are also required, which means that the actuator is neither compact nor inexpensive to manufacture.

Speziell für die mobile taktile Anzeige in braille-Symbolen wird in EP 0925570 B1 ein Mikro-Elektromagnet beschrieben. Auch hier ist kennzeichnend, dass für mindestens eine End-Position der Spule permanent Energie zugeführt werden muss, und zudem für die Rückstellung Blattfedern und O-Ringe eingesetzt werden.Especially for mobile tactile display in braille symbols, EP0925570B1 a micro electromagnet is described. Here too, it is characteristic that energy must be permanently supplied to at least one end position of the coil, and leaf springs and O-rings are used for resetting.

In US 5,466,154 A wird bei einer Braille Platte mit beweglichen Punktstiften die Problematik von Dauer-Bestromung und erreichbaren taktilen Kräften (hier lediglich 50 mN) bei bisherigen elektromagnetischen Lösungen signifikant aufgezeigt. Bei der dort vorgestellten Lösung der Braille Platte mit einem Mikroprozessor und mit einer Vielzahl von Festkörper-Schaltchips, wobei zur Übersetzung der alphanumerische Informationen jedes der Stellglieder unter der Steuerung des Mikroprozessors und eines Chip-Controller selektiv betätigt wird, wird entweder ein hartmagnetischer Stab mittels Luftspulen bewegt oder es wird eine Luftspule mit Feld- verstärkendem Eisenkern, also ganz normales „Leiteisen“ ohne weitere magnetische Spezifikation verwendet. Bei der „oben - Position“ ist also permanente Bestromung gefordert so dass bei der Bestromung mit 10 mA dabei eine maximale Kraft von 50 mN erreicht wird. Geht man bei taktilen Flächendisplays von 10.000 Pins aus, von denen dann im Mittel 5.000 Stück permanent bestromt werden müssten, kommt man selbst für diese geringe Kraft von 50mN auf einen Strombedarf von 50 A. Dies erklärt u.a., warum der Einsatz von Piezo-Technologie den Stand der Technik definiert.In US 5,466,154 A The problem of continuous current supply and achievable tactile forces (here only 50 mN) in previous electromagnetic solutions is clearly demonstrated in a Braille plate with movable point pins. In the solution presented there, the Braille plate with a microprocessor and a large number of solid-state switching chips, whereby each of the actuators is selectively operated under the control of the microprocessor and a chip controller to translate the alphanumeric information, either a hard magnetic rod is moved using air coils or an air coil with a field-enhancing iron core, i.e. completely normal "conducting iron" without any further magnetic specification, is used. In the "top position" permanent current supply is therefore required so that when current is applied with 10 mA a maximum force of 50 mN is achieved. If we assume that tactile surface displays have 10,000 pins, of which an average of 5,000 would need to be permanently powered, we arrive at a current requirement of 50 A even for this low force of 50 mN. This explains, among other things, why the use of piezo technology defines the state of the art.

DE 102 60 668 A1 hat einen Teller-förmigen Anker, benutzt aber ebenso zusätzliche Federn um die „oben“ -Stellung zu realisieren. DE 102 60 668 A1 has a plate-shaped armature, but also uses additional springs to realize the “up” position.

In DE 102 34 863 A1 wird ein elektromagnetischer Taster mit taktiler Rückmeldung beschrieben. Hier für Bewegung und Endlagen-Fixierung des hartmagnetischen Innenkerns neben der Dauer-Bestromung der Spule ebenso ein zusätzliches Federelement erforderlich.In DE 102 34 863 A1 An electromagnetic button with tactile feedback is described. In addition to the continuous current supply to the coil, an additional spring element is also required for movement and end position fixation of the hard magnetic inner core.

Der primäre Ansatz von EP 1 681 687 B1 ist die hochkomplexe Entwicklung, Herstellung und Einsatz von magnetischen Komposit-Materialien zur Optimierung von äußerem Feldverlauf in Abhängigkeit von der mikro/ nano - magnetischen Strukur dieser neuen Materialien. Trotz dieses erheblichen erfinderischen Aufwandes - dessen kostenmäßige Folgen noch gar nicht erfassbar sind - zeigt die vorgestellte Ausführungsform einer bistabilen linearen Aktuator-Einheit mit zwei hartmagnetischen Materialien unterschiedlicher Koerzitivität für den speziellen Fall einer „braille-Anwendung“ die vom Stand der Technik her bekannten Nachteile: Es werden dabei (mindestens) zwei bewegliche hartmagnetische Körper hintereinander angeordnet. Die „oben“ und „unten“ - Positionen sind hier nicht klar definiert, was beim erklärten Fokus der Vorrichtung auf federungstechnische Applikationen keine wichtige Rolle spielt, für taktile Anwendungen aber essentiell nachteilig ist. Zudem wird klar gezeigt, dass zur Aufrechterhaltung der „oben“ Position konstruktionsbedingt ein permanenter Stromfluss durch die zusätzlich mitbewegte Erreger-Spule benötigt wird.The primary approach of EP 1 681 687 B1 is the highly complex development, manufacture and use of magnetic composite materials to optimize external field progression depending on the micro/nano-magnetic structure of these new materials. Despite this considerable inventive effort - the cost consequences of which cannot yet be determined - the presented embodiment of a bistable linear actuator unit with two hard magnetic materials of different coercivity for the special case of a "braille application" shows the disadvantages known from the state of the art: (at least) two movable hard magnetic bodies are arranged one behind the other. The "top" and "bottom" positions are not clearly defined here, which does not play an important role given the declared focus of the device on suspension technology applications, but is essentially disadvantageous for tactile applications. In addition, it is clearly shown that in order to maintain the "top" position, a permanent current flow through the additionally moving excitation coil is required due to the design.

Sämtlichen vorgestellten elektromagnetischen Lösungen ist gemeinsam, dass keinerlei Angaben zur geometrischen Gestaltung der Pol-Formen (z.B. Konturen oder Seitenverhältnisse) gemacht werden, die auf die speziellen Erfordernisse bei taktilen Flächen-Displays eingehen. Darüber hinaus werden auch Lösungen über „Memory-Metalle“ diskutiert (siehe hierzu z.B. Haga, Makishi et. al, in Sensors and Actuators A, Vol. 119, 13. April 2005, S. 316-322 ). Das zeitliche Ansprechverhalten dieser Konfigurationen genügt jedoch nicht den Ansprüchen einer schnellen Addressierbarkeit.All of the electromagnetic solutions presented have in common that no Information on the geometric design of the pole shapes (eg contours or aspect ratios) is provided, which address the special requirements of tactile surface displays. In addition, solutions using “memory metals” are also discussed (see eg Haga, Makishi et al. al, in Sensors and Actuators A, Vol. 119, 13 April 2005, pp. 316-322 ). However, the temporal response of these configurations does not meet the requirements of fast addressability.

Für eng angeordete taktile Stifte in braille-Schrift-Displays und grafischen Flächendisplays soll eine mechanisch- konstruktiv einfache und preiswerte bistabile elektromagnetische lineare Antriebseinheit bereitgestellt werden, bei der die „oben“ und „unten“ - Position mechanisch eindeutig definiert ist. Dies soll ohne zusätzliche Halte-, Hebel- und Dämpfungs-Vorrichtungen geschehen und eine geringe Bauhöhe des späteren Gesamt-Displays ermöglichen. Insbesondere Haltekraft und Halteposition der „oben“- Position sollen den taktilen Anforderungen entsprechend durch einfache konstruktive Maßnahmen einstellbar sein. Vor allem im Hinblick auf mobile Anwendungen soll der Aktuator besonders energiesparend sein und selbst im elektrischen „Aus-Zustand“ des Gesamtgerätes die korrekte Darstellung der letzten Computerdaten beibehalten. Für die großflächige Darstellung grafischer Inhalte muss die unbegrenzte enge (= Raster-Abstand kleiner oder gleich 2,5mm) flächige Aneinanderreihung der Einzel-Aktuatoren gewährleistet sein. Störungen und Kopplungen zwischen den einzelnen Aktuatoren müssen minimiert werden.For closely arranged tactile pins in braille displays and graphic surface displays, a mechanically and structurally simple and inexpensive bistable electromagnetic linear drive unit is to be provided in which the "up" and "down" positions are mechanically clearly defined. This should be done without additional holding, lever and damping devices and allow a low overall height of the later overall display. In particular, the holding force and holding position of the "up" position should be adjustable according to the tactile requirements using simple design measures. With regard to mobile applications in particular, the actuator should be particularly energy-saving and retain the correct display of the last computer data even when the entire device is electrically "off". For the large-scale display of graphic content, the unlimited close (= grid spacing less than or equal to 2.5 mm) surface arrangement of the individual actuators must be guaranteed. Interference and coupling between the individual actuators must be minimized.

Die triviale Randbedingung eines derartigen Computer-Displays ist hierbei natürlich die schnelle Einzeladressier-Möglichkeit (ähnlich wie in einem „Random Access Memory“) der taktilen Stifte. Weiterhin soll dabei ermöglicht werden, eine Vielzahl senkrecht zu bewegender Stifte großflächig in einem vorgegebenen engen Raster-Abstand so zu positionieren, dass trotz einer das eigentliche Stift-Rastermaß deutlich übersteigenden lateralen Dimension der- einzelnen Antriebseinheit der gewünschte enge Rasterabstand der Stifte realisiert werden kann. Die mechanische Kraftübertragung und elektrische Versorgung der Aktuatoren muss dabei mit minimaler Bauhöhe des Displays realisiert werden.The trivial boundary condition of such a computer display is of course the ability to quickly address each tactile pin individually (similar to a "random access memory"). Furthermore, it should be possible to position a large number of vertically moving pins over a large area at a predefined narrow grid spacing so that the desired narrow grid spacing of the pins can be achieved despite a lateral dimension of the individual drive unit that significantly exceeds the actual pin grid dimension. The mechanical power transmission and electrical supply of the actuators must be implemented with a minimal height of the display.

Mit der wachsenden Verbreitung von Bildschirm-orientierten Betriebssystemen und grafischer Benutzer-Software entsteht die Notwendigkeit, auch großflächige taktile Anzeige-Vorrichtungen mit einer großen Anzahl von Einzelstiften (z.B. 200 x 400) bereitzustellen. Gerade aufgrund der hohen Zahl von Einzelstiften ist deshalb die einwandfreie Funktion des einzelnen taktilen Stifts über einen langen Benutzungs-Zeitraum Voraussetzung, um die einwandfreie Funktion des Displays als Ganzem zu garantieren. So entstehen - allein schon aus Sicht der Fehlerstatistik - deutlich gesteigerte Anforderungen bezüglich der Zuverlässigkeit der Funktion des Einzelstifts.With the increasing use of screen-oriented operating systems and graphical user software, there is a need to provide large-area tactile display devices with a large number of individual pens (e.g. 200 x 400). Due to the large number of individual pens, the flawless function of the individual tactile pen over a long period of use is a prerequisite for guaranteeing the flawless function of the display as a whole. This means that - from the point of view of error statistics alone - significantly increased requirements arise with regard to the reliability of the function of the individual pen.

Mangelnde Robustheit und kurze Service-Intervalle sind auch ein wesentlicher Grund, warum bisherige taktile Displays im öffentlichen Raum kaum Eingang gefunden haben. So ist bis heute für Blinde praktisch keine „Barrierefreiheit" z. B. im gesamten Selbstbedienungsbereich gegeben: seien es Fahrkartenautomaten, Getränkeautomaten oder Geld/ Bank- Automaten: der Blinde hat keine Chance, diese Geräte diskret zu nutzen, weil in der Regel schlicht keine für ihn geeignete Leseeinheit eingebaut ist.A lack of robustness and short service intervals are also a major reason why tactile displays have so far hardly found their way into public spaces. To date, there is practically no "accessibility" for blind people, for example in the entire self-service area: be it ticket machines, drinks machines or cash/bank machines: the blind person has no chance of using these devices discreetly because there is usually simply no reading unit built in that is suitable for them.

Völlig unabhängig vom eingesetzten Aktuator-Typ steht für den Endnutzer die leichte Lesbarkeit der Anzeige - das bedeutet möglichst hohe Mindest-Stellkräfte (wie z.B. 0.3N) für einen zuverlässigen Abtastvorgang durch den fühlenden Finger - und vor allem die Zuverlässigkeit des Gesamt-Geräts im Vordergrund. Die Hauptquelle von Störungen sind jedoch Verschmutzungen, die allein aus dem Wesen des taktilen Vorganges beim Lesen oder bei der Eingabe entspringen: Fett, Hautpartikel, Haare und Schweiß werden direkt durch den das Display nutzenden Menschen eingebracht. Staub, Feuchtigkeit und durch Versehen herbeigeführte Benetzung des Displays mit Flüssigkeit tun ihr Übriges dazu, früher oder später den Service-Fall herbeizuführen.Regardless of the type of actuator used, the end user's main concern is the easy readability of the display - this means the highest possible minimum actuating force (e.g. 0.3N) for a reliable scanning process by the tactile finger - and above all the reliability of the entire device. The main source of malfunctions, however, is contamination, which arises solely from the nature of the tactile process when reading or entering data: grease, skin particles, hair and sweat are brought in directly by the person using the display. Dust, moisture and accidental wetting of the display with liquid do the rest to cause a service case sooner or later.

Ein Weg äußere Einflüsse zu minimieren wird durch das Auflegen von Folien auf die taktile Tastfläche beschritten, wie in DE 101 27 039 B4 beschrieben. Nachteilig ist hier, dass die Erhabenheit der Taststifte gegenüber der Display-Ebene weniger deutlich ausgeprägt ist, das Lesen der taktilen Information also beschwerlicher und weniger zuverlässig abläuft. Aus diesem Grund haben sich Display-Abdeckungen in der Praxis nicht durchgesetzt.One way to minimize external influences is to place foils on the tactile surface, as in DE 101 27 039 B4 described. The disadvantage here is that the elevation of the stylus is less pronounced compared to the display level, making reading the tactile information more difficult and less reliable. For this reason, display covers have not been adopted in practice.

Die Alternative zur Abdeckung der Display-Oberseite ist die Abdichtung des einzelnen Stifts in seiner Führung, wie z.B. in DE 103 06 230 B4 beschrieben. Gerade im Zusammenhang mit den meist geringen Stellkräften der Aktuatoren ist dieses Verfahren grundsätzlich kritisch zu sehen. Zudem macht es den Aufbau der Einheit komplizierter, und an einen einfachen Ausbau des Einzelstifts - im Idealfall durch den sehbehinderten Endnutzer selbst - ist bei der gezeigten Ausführungsform nicht zu denken.The alternative to covering the top of the display is to seal the individual pin in its guide, as in DE 103 06 230 B4 This method is fundamentally critical, particularly in connection with the usually low actuating forces of the actuators. It also makes the structure of the unit more complicated, and a simple removal of the individual pin - ideally by the visually impaired end user himself - is not conceivable with the embodiment shown.

Um ein Verschmutzungs-Problem im Stift-Bereich beheben zu können, muss der Endnutzer in der Regel das gesamte taktile Display zur Reinigung an den Hersteller einsenden. DE 37 06 286 A1 schlägt deshalb ein Display mit komplett auswechselbarer Lesestift - Einheit vor, die vom Piezo-Aktuator- Teil als Ganzes trennbar ist. Auf diese Weise kann im Servicefall der Aktuator-Teil beim Endnutzer verbleiben, der dann allerdings nur mittels einer extra zu kaufenden kompletten Reserve-Stifteinheit in der Lage ist, weiter mit dem Display arbeiten zu können. Nachteilig ist hier, dass bereits bei Fehlfunktion von nur einem einzigen Stift die gesamte Stifteinheit ausgebaut werden muss, weil die Stifte selbst in ihrer Einheit ausdrücklich unverlierbar - also gerade nicht einfach durch den Endnutzer selbst demontierbar- eingebaut sind, und der Kauf der Reserve-Stifteinheit natürlich zusätzliche Kosten verursacht. Um sowohl die Kraft-Kopplung zwischen den Aktuatoren und den eigentlichen taktilen Stiften zu gewährleisten, als auch das Auswechseln der kompletten Stift-Einheit zu ermöglichen werden hier an den Unterseiten der Lesestifte Haftmagnete angebracht, die mit dem ferromagnetischem Material auf den freien Enden der Aktivatoren zusammenwirken. Neben zusätzlichem Materialaufwand und komplexen feinwerktechnischen Montagearbeiten in der Fertigung des Displays ist bei dieser speziellen Anordnung des magnetischen Materials hier dynamische Belastung des Aktuator/Stift - Systems durch die erhöhte Gesamtmasse des Hartmagneten kritisch zu sehen. Zudem kommt gerade die Eigenschaft der mechanischen Passungs-Herstellung durch die Verbindung bei dieser Anordnung von hartmagnetischem und weichmagnetischen Material nämlich nicht zum Tragen, weil durch die beschriebene flächige Ausgestaltung des Magnets am Stiftende bei ungenauer mechanischer Passung zusätzliche Querkräfte auftreten können, die sowohl den Stift als auch den Aktuator in der freien senkrechten Bewegung behindern. In order to resolve a contamination problem in the pen area, the end user usually has to send the entire tactile display to the manufacturer for cleaning. DE 37 06 286 A1 therefore proposes a display with a completely replaceable reading pen unit that can be separated from the piezo actuator part as a whole. In this way, in the event of servicing, the actuator part can remain with the end user, who can then only continue to work with the display by means of a complete reserve pen unit that has to be purchased separately. The disadvantage here is that if just one pen malfunctions, the entire pen unit has to be removed, because the pens themselves are expressly built into their unit so that they cannot be lost - i.e. they cannot simply be removed by the end user themselves - and buying the reserve pen unit naturally incurs additional costs. In order to guarantee the force coupling between the actuators and the actual tactile pens, and to enable the entire pen unit to be replaced, holding magnets are attached to the undersides of the reading pens, which interact with the ferromagnetic material on the free ends of the activators. In addition to additional material costs and complex precision engineering assembly work in the manufacture of the display, the dynamic load on the actuator/pin system caused by the increased total mass of the hard magnet is a critical factor with this special arrangement of the magnetic material. In addition, the property of creating a mechanical fit through the connection does not come into play with this arrangement of hard magnetic and soft magnetic material, because the flat design of the magnet at the end of the pin described above can result in additional transverse forces if the mechanical fit is inaccurate, which hinder both the pin and the actuator from moving freely vertically.

Folgerichtig wird in den nachgeordneten Unteransprüchen auch auf die Notwendigkeit von zusätzlichen Schnäppern für die Gewährleistung der Passfunktion zwischen Modulkörper und Lesestifteinheit in ihrer Gesamtheit hingewiesen. Dadurch wird auch klar, dass erheblicher Aufwand für die mechanische Präzision (Toleranz-Problem) der beiden komplexen Teile nötig sein wird. Die dargestellte magnetische Kopplung mit einem flächigen Permanentmagneten am Stiftende erfüllt ohne zusätzliche mechanische Vorrichtungen also keinesfalls die Aufgabe, den individuellen Einzelstift zuverlässig ohne Einprägung von Querkräften zu justieren.Consequently, the subordinate claims also point out the need for additional catches to ensure the fit between the module body and the reading pen unit as a whole. This also makes it clear that considerable effort will be required for the mechanical precision (tolerance problem) of the two complex parts. The magnetic coupling shown with a flat permanent magnet at the end of the pen therefore does not fulfil the task of reliably adjusting the individual pen without the application of transverse forces without additional mechanical devices.

Für taktile Stifte soll eine einfache und preiswerte Möglichkeit geschaffen werden, die negativen Folgen der allgegenwärtigen Verschmutzungsquellen für die einwandfreie Funktion des Einzelstifts zu minimieren, ohne dass durch diese Maßnahme die taktile Qualität des Displays beeinträchtigt wird. Dabei soll im Servicefall jeder Einzelstift leicht zu entfernen / zu reinigen und problemlos wieder einsetzbar sein, und dies möglichst selbst durch einen ungeschickten, sehbehinderten Endnutzer.For tactile pens, a simple and inexpensive way should be created to minimize the negative effects of the omnipresent sources of contamination on the proper functioning of the individual pen, without this measure affecting the tactile quality of the display. In the event of servicing, each individual pen should be easy to remove/clean and re-use without any problems, and if possible even by a clumsy, visually impaired end user.

Die kongruente Übertragung des Umganges mit grafischer Bedienoberfläche auf den Nutzungsbereich sehbehinderter Menschen am PC verlangt aber zusätzlich auch die interaktive, intuitive Nutzbarkeit des taktilen Displays als Eingabe-Einheit, also eine bidirektionale Betriebsweise. Beim Gegenstand der bereits weiter oben gewürdigten DE 103 49 100 A1 müssen zur elektrischen Ansteuerung die Einzelplatinen noch zusätzlich untereinander verdrahtet werden. Im Gesamtgerät arbeitet die beschriebene Aktuator-Anordnung zudem ausschließlich passiv als Anzeigevorrichtung. Um auch Eingaben zur Steuerung des Gesamtgeräts realisieren zu können sind weitere Betätigungs-Schalter nötig, die neben dem räumlichen Platzbedarf auch noch den elektrischen Verdrahtungsaufwand in die Höhe treiben.The congruent transfer of the use of graphical user interfaces to the use area of visually impaired people on the PC also requires the interactive, intuitive usability of the tactile display as an input unit, i.e. a bidirectional mode of operation. In the subject of the above-mentioned EN 103 49 100 A1 The individual circuit boards must also be wired together for electrical control. In the overall device, the actuator arrangement described also works exclusively passively as a display device. In order to be able to implement inputs for controlling the entire device, additional actuation switches are required, which not only increase the space required but also the electrical wiring effort.

Weiterhin ist aus der US 2005/0158695 A1 eine taktile Anzeigevorrichtung bekannt, bei der die Bildinformation als Höhenunterschiede zwischen in einer Matrixanordnung kreuzförmig angetriebenen taktilen Stiften anzeigt wird und bei der unter der Ebene einer Stiftplatte eine Führungsplatte mit Reibungsschluss für die taktilen Stifte angeordnet ist.Furthermore, the US 2005/0158695 A1 a tactile display device is known in which the image information is displayed as height differences between tactile pins driven crosswise in a matrix arrangement and in which a guide plate with frictional engagement for the tactile pins is arranged below the plane of a pin plate.

Weiterhin ist aus der JP 2004-7101677-A eine taktile Anzeigevorrichtung bekannt, bei welcher der eigentliche taktile Tast-Stift an einem Ende mit einem Betätigungs-Stab fest verbunden ist, dessen Durchmesser kleiner als der Durchmesser des eigentlichen Tast-Stiftes ist. Die Stellglieder, die das Vorspringen oder Zurückziehen der Taststifte steuern, werden von einer beweglichen Einheit, welche sich mit hoher Geschwindigkeit vertikal und horizontal bewegen kann, gesteuert, so dass eine scharfe taktile Anzeige mit hoher Auflösung erzielbar ist.Furthermore, the JP2004-7101677-A a tactile display device is known in which the actual tactile stylus is firmly connected at one end to an actuating rod whose diameter is smaller than the diameter of the actual stylus. The actuators that control the protrusion or retraction of the stylus are controlled by a movable unit that can move vertically and horizontally at high speed, so that a sharp tactile display with high resolution can be achieved.

Eine reine Eingabevorrichtung mit haptischer Rückmeldung eines Tasten-Drucks über Spulen und bewegliche Magnete beschreibt DE 10 2010 012 247 A1 . Im Unteranspruch 6 wird auf eine matrix-ähnliche Verschaltung mit Anschluss von Spulen an mindestens einen Multiplexer hingewiesen. Allein schon durch die Bezeichnung „Eingabevorrichtung“ wird klar, dass der Aufbau in der beschriebenen Form keinesfalls als Ausgabe-Einheit (z.B. als taktiles Grafik-Display) verwendbar ist.A pure input device with haptic feedback of a key press via coils and moving magnets describes EN 10 2010 012 247 A1 . In subclaim 6, reference is made to a matrix-like circuit with connection of coils to at least one multiplexer. The term "input device" alone makes it clear that the structure in the form described cannot under any circumstances be used as an output unit (e.g. as a tactile graphic display).

Dieselbe rein passive Funktionsweise zeigt auch DE 10 2014 104 633 A1 , wo jeweils zwei Spulen paarweise gekoppelt, Matrix -mäßig zu einem Spulenfeld verschaltet sind.The same purely passive functionality is also shown EN 10 2014 104 633 A1 , where two coils are coupled in pairs, matrix-connected to form a coil field.

Eine ökonomische Matrix-Verschaltung von Signalen beschreibt auch DE 10 2004 055 939 B4 . Die Anwahl erfolgt hier über elektrische Sperrelemente in den elektrischen Leitungen in Verbindung mit weiteren kapazitiven Elementen, was sich im durch diese Anmeldung behandelten taktilen Anwendungsfall wegen der Spulen - Bestromung über eine angelegte Gleichspannung von vornherein verbietet. Auch diese Matrix-Verschaltung arbeitet elektrisch gesehen ausschließlich in eine Richtung.An economical matrix connection of signals also describes EN 10 2004 055 939 B4 . The selection is made here via electrical blocking elements in the electrical lines in conjunction with other capacitive elements, which is prohibited from the outset in the tactile application dealt with in this application due to the coil current supply via an applied direct voltage. From an electrical point of view, this matrix circuit also only works in one direction.

Ein Matrix-Sensorelement ist auch in DE 10 2010 000 669 A1 beschrieben. Die dort fokussierte Anwendung bezieht sich auf im Fußboden verlegte Raumdetektoren zur Detektion von Personen. Diese ebenfalls nur in unidirektionaler Richtung arbeitende Vorrichtung verwendet als Nutzinformation die Veränderung der Eigenfrequenz von Oszillatoren, benötigt also neben den Spulen auch noch zusätzliche kapazitive Bauelemente.A matrix sensor element is also available in DE 10 2010 000 669 A1 described. The application focused there relates to room detectors installed in the floor for detecting people. This device, which also only works in a unidirectional direction, uses the change in the natural frequency of oscillators as useful information, so it requires additional capacitive components in addition to the coils.

Für stark sehbehinderte Menschen gibt es eine Fülle von optischen Sehhilfe-Geräten, die meist durch Vergrößerung und Kontrasterhöhung Hilfestellung bieten. Für völlig erblindete Menschen stellt diese Art von Geräten naturgemäß keinerlei Hilfe dar. Der Einsatz von akustischen Hilfsgeräten bringt zwar z.B. beim „Auslesen“ von Texten eine Hilfe, gibt dem Blinden aber keinerlei weitere grafische oder optische Information. Umgekehrt verfügt der massiv sehbehinderte in der Regel aber über eine ausgeprägt gute taktile Empfindsamkeit in seinen Fingerspitzen, meist bedingt durch das intensive Training mit dem Lesen der Braille-Schriftzeichen.There are a wide range of optical vision aids available for people with severe visual impairments, which usually provide assistance by magnifying and increasing contrast. For people who are completely blind, this type of device is naturally of no help at all. The use of acoustic aids does help with "reading out" text, for example, but does not provide the blind person with any additional graphic or optical information. Conversely, people with severe visual impairments generally have very good tactile sensitivity in their fingertips, usually due to intensive training in reading Braille characters.

Deshalb sind taktile Displays für die Ausgabe der Daten von Computern (PCs) für sehbehinderte Menschen als sog. „Braille-Zeilen“ weit verbreitet. Inzwischen sind auch großflächige taktile Grafik-Displays mit einer hohen Anzahl (z.B. 250 x 400) von Fühlpositionen technisch realisierbar. Erste Exemplare derartiger Displays werden inzwischen als Prototypen für stationäre Anwendungen auf einschlägigen Messen vorgestellt.For this reason, tactile displays for the output of data from computers (PCs) for visually impaired people are widely used as so-called "Braille lines". Large-area tactile graphic displays with a large number (e.g. 250 x 400) of tactile positions are now technically feasible. The first examples of such displays are now being presented as prototypes for stationary applications at relevant trade fairs.

Gerade im Hinblick auf die in der Regel vorhandene hohe taktile Kompetenz der Nutzer von taktilen Grafik-Displays bzw. Standard- Braille- Zeilen wird der Ruf nach einer universellen (= nicht nur auf Textvorlagen beschränkten) mobilen taktilen Sehhilfe für Blinde laut:

  • Erschließung der visuellen, durch die Sehbehinderung nicht direkt zugänglichen Domäne, unter Einsatz der eigenen taktilen Fähigkeiten und eines hierfür maßgeschneiderten neuen Hilfsmittels. Entscheidend zur Durchsetzung am Markt wird die intuitive Nutzbarkeit des Gerätes sein: es wird erwartet, dass praktisch ohne zusätzliches intensives Training der unbewusste Ablauf des „normalen“ menschlichen Gesichtssinns als Ganzem mit fovealem und periphärem Sehen auf taktiler Ebene simuliert werden kann und die Sehhilfe dabei auch mobil einsetzbar ist.
Especially in view of the generally high level of tactile competence of users of tactile graphic displays or standard Braille lines, the call for a universal (= not only limited to text templates) mobile tactile visual aid for the blind is becoming louder:
  • Access to the visual domain that is not directly accessible due to the visual impairment, using one's own tactile skills and a new aid tailored to this purpose. The intuitive usability of the device will be crucial to its success on the market: it is expected that the unconscious process of the "normal" human sense of sight as a whole with foveal and peripheral vision can be simulated on a tactile level with practically no additional intensive training, and that the visual aid can also be used on the move.

Erste Anfänge des Versuchs, optische Strukturen in für den Blinden fühlbare Information mit nennenswerter Orts-Auflösung zu erhalten sind in DT 2330403 A1 beschrieben. Hier wird mittels eines Kontakt- Verfahrens, also ohne linsenoptische Abbildung, eine planare Kontrast-Struktur in eine analoge elektrische Ladungsmuster-Matrix mit einer bestimmten, konstruktionsbedingten lateralen Auflösung übertragen. Als Sensor für diese Information wird die menschliche Haut, wegen der ebenen Konstruktion der Ladungsträger-Matrix bevorzugt die Stirnpartie des Menschen als Auflagefläche, vorgeschlagen. Allein schon abgesehen von der sehr beschränkten lateralen Auflösung dieser Methode ist dieses „Sehen mit der Haut“ mit einem beträchtlichen, jahrelangen Trainings-Aufwand verbunden. Die Zuverlässigkeit des Verfahrens (z. B. die Problematik elektrischer Ladungen bei hoher Luftfeuchtigkeit) ist ebenfalls zweifelhaft. Zudem steht wegen des Fehlens abbildender Linsenelemente kein reales Abbild der 3- dimensionalen realen Umwelt zur Verfügung. Ein „taktiler Interaktions-Monitor (TIM) wird in DE 42 41 937 A1 vorgestellt. Dieses mehr theoretische Geräte-Konzept fußt laut Darstellung des Anmelders allerdings mehr auf ,,... philsophischen, sprachwissenschaftlichen, zeichentheoretischen und kognitionswissenschaftlichen Forschungsarbeiten..." und bietet keinerlei konkrete Hinweise für eine praktische technische Realisation durch den durchschnittlichen Fachmann. Auf Grund des damaligen Standes der Technik (1992) wird eine Vielzahl von kleinen taktilen Punktrastern (mit typisch max. 256 Punkte pro Matrix) eingesetzt. Die Rasterelemente (einige sind im Prinzip nur verkürzte Standard Braille-Zeilen) werden der Handfläche bzw. den Fingern des Blinden zwecks Abtastung fest zugeordnet. Trotz des Einsatzes einer Kamera / eines Scanners ist so auf keinen Fall eine lückenlos geschlossene, kontinuierliche taktile Darstellung eines Bildes der Umwelt möglich. Es wird versucht, diesen Nachteil im Wesentlichen durch eine Zoom und Ausschnitts-Funktion der Vorrichtung auszugleichen. Genau hier liegt der größte Nachteil des TIM: Die komplizierte Steuerung von Zoom und Ausschnitt verlangt nach einer Vielzahl zusätzlicher Funktionstasten, die quasi zeitlich parallel zum eigentlichen taktilen „Sehvorgang“ noch bedient werden müssen. Gerade das im Text erwähnte menschliche Kurzzeitgedächtnis mit einer Speicherzeit von max. 8 Sekunden ist also bei der Bedienung des TIM total überfordert. Selbst das vom Anmelder eingeräumte, vermutlich 2 jährige zusätzliche Training für die erfolgreiche Orientierung in der realen Umwelt mit dem Gerät, ändert an der Grundtatsache der Gehirn-physiologischen Fakten wenig. Es zeigt sich einfach, dass der TIM mit Sicherheit eben nicht intuitiv nutzbar ist, eine parallele taktile Substitution des „normalen“ Sehsinnes also keinesfalls stattfinden kann.The first attempts to convert optical structures into information that can be felt by the blind with significant spatial resolution are described in DT 2330403 A1. Here, a planar contrast structure is transferred into an analogue electrical charge pattern matrix with a specific, design-related lateral resolution using a contact method, i.e. without lens-optical imaging. The human skin is proposed as a sensor for this information, with the forehead being the preferred contact surface due to the flat construction of the charge carrier matrix. Apart from the very limited lateral resolution of this method, this "seeing with the skin" involves considerable training over many years. The reliability of the method (e.g. the problem of electrical charges in high humidity) is also doubtful. In addition, due to the lack of imaging lens elements, no real image of the 3-dimensional real environment is available. A "tactile interaction monitor (TIM) is used in DE 42 41 937 A1 presented. According to the applicant, this more theoretical device concept is based more on "... philosophical, linguistic, semiotic and cognitive science research work..." and offers no concrete indications for practical technical implementation by the average expert. Due to the state of the art at the time (1992), a large number of small tactile dot grids (typically with a maximum of 256 points per matrix) are used. The grid elements (some are basically just shortened standard Braille lines) are permanently assigned to the palm of the hand or the fingers of the blind person for scanning purposes. Despite the use of a camera / scanner, a seamless, continuous tactile representation of an image of the environment is by no means possible. An attempt is made to compensate for this disadvantage essentially by a zoom and crop function of the device. This is precisely where the biggest disadvantage of the TIM lies: the complicated control of zoom and crop requires a large number of additional function keys, which are more or less parallel to the actual tactile "vision process". must be operated. The human short-term memory mentioned in the text with a storage time of max. 8 seconds is therefore completely overwhelmed when operating the TIM. Even the presumably 2 years of additional training for successful orientation in the real environment with the device, admitted by the applicant, changes little in the basic facts of the brain's physiology. It simply shows that the TIM is certainly not intuitive to use, a parallel tak A physical substitution of the “normal” sense of sight cannot take place under any circumstances.

Der Einsatz einer Kamera montiert in einer brillen-ähnlichen Konstruktion wird in DE 10 2005 000 820 A1 beschrieben. Diese mobile Anordnung betrifft aber ausdrücklich die Verbesserung der Sehfähigkeit bei einer lediglich sehbehinderten Person und benutzt folgerichtig auch rein optische Methoden zur Bildausgabe. Es sind keinerlei taktile Vorrichtungen vorgesehen, die bei einem Hilfsmittel für völlig erblindete Menschen unabdingbar sind.The use of a camera mounted in a glasses-like construction is used in EN 10 2005 000 820 A1 described. However, this mobile arrangement is specifically intended to improve the vision of a person who is only visually impaired and consequently uses purely optical methods for image output. There are no tactile devices provided, which are indispensable in an aid for completely blind people.

Aus ABID, S. H.: New Haptic device to use Computers for blind persons. In: Al-Mansour Journal, 2012, 18. Jg., Nr. 1, S. 41-50 ist ein taktiles Display bekannt, wobei ein magnetischer Stab durch Anlegen einer Spannung auf eine Spule linear bewegt wird.Out of ABID, SH: New Haptic device to use Computers for blind persons. In: Al-Mansour Journal, 2012, 18th vol., no. 1, pp. 41-50 A tactile display is known in which a magnetic rod is moved linearly by applying a voltage to a coil.

Weiterhin ist ein ähnliches taktiles Display, wobei ein magnetischer Stab durch Anlegen einer Spannung auf eine Spule linear bewegt wird, aus der DE 10 2005 047 837 A1 bekannt. Das taktile Display weist eine taktil arbeitende Eingabeeinrichtung auf, welche eine Elektrode umfasst, die auf einer Oberfläche einer Abdeckplatte vorgesehen sind. Diese Elektrode umfasst schmale und eng benachbart geführte Leiterbahnen, die zusammen eine Kondensatorplatte bilden. Im Einzelnen ist ein Rahmen des graphischen Displays vorgesehen, welcher eine Matrixanordnung von Anzeigeeinheiten aufnimmt. Jede der Anzeigeeinheiten umfasst zwei Spalten von Anzeigestiften, die in zur Oberfläche des Displays senkrechter Richtung verlagerbar sind, um dort ein taktiles Bild einer Computerausgabe darzustellen, z. B. eine Strichzeichnung, ein Balkendiagramm, eine Markierung für ein taktiles Eingabefeld usw.. Jede der Anzeigeeinheiten hat eine obere Deckplatte, die zwei Reihen von je fünf Führungsbohrungen für jeweils das Ende eines Anzeigestiftes aufweist. Hinter der oberen Deckplatte befindet sich eine mittlere Gehäuseplatte, welche mit Führungsbohrungen versehen ist, die eine fluchtende Fortsetzung der Führungsbohrungen darstellen. Die Anzeigestifte sind mit stabförmigen Abtriebsteilen von Stellmotoren verbunden, die ein zylindrisches Gehäuse mit gleichem Durchmesser wie die Anzeigestifte haben. Die Stellmotoren können in der Praxis elektromagnetische Stellmotoren, nach dem Tauchspulenprinzip arbeitende Stellmotoren, lineare Synchronmotoren, Kombinationen aus einem kleinen Elektromotor und einem Zahnstangentrieb oder dgl. oder fluidische Stellmotoren sein. Die Stellmotoren können den mit ihnen verbundenen Anzeigestift zwischen einer hinter die obere Deckplatte zurückgefahrenen Ruhestellung und einer über die Oberseite der Deckplatte überstehenden Arbeitsstellung verlagern. Um an jedem Pixel des Displays eine taktile Rückmeldung an einen mit dem Display verbundenen Computer geben zu können, sind die Stellmotoren über einen Kraftfühler und eine Leiterplatte an einer unteren Abschlussplatte der Anzeigeeinheit abgestützt. Die Stellmotoren sind in den Führungsbohrungen verschiebbar angeordnet, so dass eine auf den zugeordneten Anzeigestift ausgeübte taktile Rückmeldekraft das untere Ende des Stellmotors gegen den Kraftfühler drückt. Dieser erzeugt unter diesen Bedingungen ein Ausgangssignal, welches die taktile Rückmeldung erkennen lässt.Furthermore, a similar tactile display, in which a magnetic rod is moved linearly by applying a voltage to a coil, is known from the EN 10 2005 047 837 A1 The tactile display has a tactile input device which comprises an electrode which is provided on a surface of a cover plate. This electrode comprises narrow and closely spaced conductor tracks which together form a capacitor plate. In detail, a frame of the graphic display is provided which accommodates a matrix arrangement of display units. Each of the display units comprises two columns of display pins which can be displaced in a direction perpendicular to the surface of the display in order to display a tactile image of a computer output there, e.g. a line drawing, a bar chart, a marking for a tactile input field, etc. Each of the display units has an upper cover plate which has two rows of five guide holes each for the end of a display pin. Behind the upper cover plate there is a middle housing plate which is provided with guide holes which represent an aligned continuation of the guide holes. The display pins are connected to rod-shaped output parts of servo motors which have a cylindrical housing with the same diameter as the display pins. In practice, the actuators can be electromagnetic actuators, actuators operating on the moving coil principle, linear synchronous motors, combinations of a small electric motor and a rack and pinion drive or similar, or fluid actuators. The actuators can move the indicator pin connected to them between a rest position retracted behind the upper cover plate and a working position protruding above the top of the cover plate. In order to be able to provide tactile feedback to a computer connected to the display at each pixel of the display, the actuators are supported by a force sensor and a circuit board on a lower end plate of the display unit. The actuators are arranged so that they can be moved in the guide holes, so that a tactile feedback force exerted on the associated indicator pin presses the lower end of the actuator against the force sensor. Under these conditions, the force sensor generates an output signal that allows the tactile feedback to be recognized.

Weiterhin ist ein ähnliches taktiles Display, wobei ein magnetischer Stab durch Anlegen einer Spannung auf eine Spule linear bewegt wird, aus BOWLES, A., et al.: A new technology for high density actuator arrays. In: Smart Structures and Materials 2005: Smart Structures and Integrated Systems. SPIE, 2005. S. 680-689. doi: 10.1117/12.598455 bekannt. In erster Linie für die taktile Anzeige universeller Texte, Blindenschrift und Grafiken gedacht, werden magnetische Kräfte genutzt, um einzeln adressierbare Stifte zu betätigen und zu halten. Mithilfe von Mehrschicht-Leiterplattentechniken zur Minimierung der Produktions- und Montagekosten wurden große Anordnungen magnetischer Magnetaktuatoren auf einem einzigen Substrat hergestellt. Diese sind elektrisch miteinander verbunden, um die Matrixadressierung jedes einzelnen Elements im Array zu ermöglichen und die Anzahl der elektronischen Komponenten zu reduzieren. Unter Verwendung einer Permanentmagnetschicht wird ein bistabiler Mechanismus hergestellt, der es ermöglicht, den Magnetaktuator zwischen einem „oben“-Zustand und einem „unten“-Zustand umzuschalten. Diese Bistabilität ist nicht nur für die Matrixadressierung notwendig, sondern sorgt auch für eine gute Energieeffizienz, da Strom nur dann benötigt wird, wenn das System aktualisiert wird, und nicht, wenn die statische Anzeige aufrechterhalten wird. Weiterhin ist eine Fehlerkorrekturtechnikvorgesehen, die einen bistabilen Aktuator automatisch korrigiert, wenn er sich durch einen mechanischen Stoß versehentlich in eine falsche Position bewegt hat.Furthermore, a similar tactile display, in which a magnetic rod is moved linearly by applying a voltage to a coil, is made of BOWLES, A., et al.: A new technology for high density actuator arrays. In: Smart Structures and Materials 2005: Smart Structures and Integrated Systems. SPIE, 2005. pp. 680-689. doi: 10.1117/12.598455 Primarily intended for the tactile display of general-purpose text, Braille and graphics, magnetic forces are used to actuate and hold individually addressable pins. Using multilayer printed circuit board techniques to minimize production and assembly costs, large arrays of magnetic solenoid actuators have been fabricated on a single substrate. These are electrically interconnected to enable matrix addressing of each individual element in the array and to reduce the number of electronic components. Using a permanent magnet layer, a bistable mechanism is fabricated that allows the solenoid actuator to be switched between an "up" state and a "down" state. This bistability is not only necessary for matrix addressing, but also provides good energy efficiency, as power is only required when the system is being updated, not when the static display is being maintained. An error correction technique is also provided that automatically corrects a bistable actuator if it has inadvertently moved to an incorrect position due to a mechanical shock.

Schließlich ist auf dem technisch entfernten Gebiet der Unterhaltungselektronik, nämlich Videorecorder mit Schrägspurabtastung, aus der US 6,222,705 B1 eine rotierende Magnetkopfvorrichtung, bestehend aus einer rotierenden Trommel und einem Dünnfilm-Magnetkopf bekannt. Der Magnetkopf ragt diametral aus der rotierenden Trommel heraus, um mit einem aufgewickelten Magnetband in Kontakt zu kommen und um einen Teil der Außenumfangsfläche der Drehtrommel herum. Weiterhin sind Kopfsteuermittel zum Einstellen des Vorsprungs des Magnetkopfs in diametraler Richtung vorgesehen.Finally, in the technically distant field of consumer electronics, namely video recorders with helical scan, US6,222,705 B1 a rotary magnetic head device consisting of a rotary drum and a thin film magnetic head is known. The magnetic head projects diametrically from the rotary drum to come into contact with a wound magnetic tape and around a part of the outer peripheral surface of the rotary drum. Furthermore, head control means are provided for adjusting the projection of the magnetic head in the diametrical direction.

Der Erfindung liegt gegenüber den bekannten linearen magnetischen Aktuatoren die Aufgabe zugrunde, einen solchen elektromagnetischen Aktuator für taktile Anwendungen zur Verfügung zu stellen, insbesondere für taktile Stifte in braille-Schrift-Displays und grafischen Flächendisplays, mit dem eine mechanischkonstruktiv einfache und preiswerte bistabile elektromagnetische lineare Antriebseinheit realisiert werden kann. Weiterhin soll mit den Aktuatoren dabei ein Display mit minimaler Bauhöhe realisiert werden. Weiterhin soll das Eindringen von Schmutzpartikeln in den Innenraum des Aktuators minimiert werden. Weiterhin soll eine einfache und kostengünstige Anordnung zur elektrischen Beschaltung von elektromagnetischen Aktuator - Spulen bereitgestellt werden, die es erlaubt, das taktile Anzeige-Display ausschließlich mittels der bereits vorhandenen Aktuator-Spulen zur Ausgabe von Daten auch als Eingabe-Einheit zu nutzen, ohne dass zusätzliche Eingabe-Schalter oder weitere Eingabe-Sensoren verbaut werden müssen. Schließlich soll dem Blinden eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden, die ihm eine möglichst perfekte Substitution und Simulation des „normalen“ menschlichen Gesichtssinns auf taktiler Ebene bietet. Compared to the known linear magnetic actuators, the invention is based on the task of providing such an electromagnetic actuator for tactile applications, in particular for tactile pens in braille displays and graphic surface displays, with which a mechanically simple and inexpensive bistable electromagnetic linear drive unit can be realized. Furthermore, the actuators should be used to create a display with a minimal height. Furthermore, the penetration of dirt particles into the interior of the actuator should be minimized. Furthermore, a simple and inexpensive arrangement for the electrical wiring of electromagnetic actuator coils should be provided, which allows the tactile display to be used exclusively by means of the existing actuator coils to output data as an input unit, without the need to install additional input switches or other input sensors. Finally, the blind should be provided with a device that offers them the most perfect possible substitution and simulation of the "normal" human sense of sight on a tactile level.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Aktuator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die Merkmale des Kennzeichenteils gelöst.This object is achieved according to the invention in an actuator according to the preamble of patent claim 1 by the features of the characterizing part.

Beim erfindungsgemäßen Aktuator wird der hartmagnetische, an einem Ende als speziell geformter Teller ausgebildete polarisierte Stab im Inneren der ebenfalls hartmagnetischen Hülse beweglich derart angeordnet, dass der Teller selbst immer außerhalb der Hülse positioniert ist. Die Koerzitiv-Feldstärke des Materials der den Stab umgebenden Hülse ist dabei deutlich geringer als diejenige des beweglichen Stabes. Somit ist gewährleistet, dass zwar die Hülse von der beide Hartmagneten (Stab und Hülse) umgreifenden, bestromten Spule gezielt umgepolt werden kann, die Polarisierung des beweglichen Stabes hierdurch aber nicht verändert wird. Nur für den kurzen Moment der eigentlichen Um-Magnetisierung (< 1 µs) des Hülsen-Materials muss der Maximal-Strom für die Spule bereitgestellt werden. Die Endlage „oben“ liefert die maximale Haltekraft und wird durch die magnetische Anziehung zwischen dem speziell geformten Teller (= „Hauptpol“, Anker) und der geeignet dimensionierten Stirnfläche der umgebenden Hülse realisiert. Diese Stirnfläche ist so dimensioniert, dass sie im Zusammenspiel mit dem speziell geformten Hauptpol die benötigte Haltekraft bereitstellt, diese dabei jedoch genau so einrichtet, dass sie im Umschaltfall (Hülse und Spulenstrom umgepolt) überwunden werden kann und sich der Anker somit zur anderen Endlage bewegen kann. Die geometrische Position der Endlage „unten“ wird durch die Gesamtlänge des Stabes und damit dem Abstand des „Hilfspoles“ vom Anker klar definiert.In the actuator according to the invention, the hard magnetic polarized rod, which is designed as a specially shaped plate at one end, is movably arranged inside the hard magnetic sleeve in such a way that the plate itself is always positioned outside the sleeve. The coercive field strength of the material of the sleeve surrounding the rod is significantly lower than that of the movable rod. This ensures that the sleeve can be specifically reversed by the energized coil that encompasses both hard magnets (rod and sleeve), but that the polarization of the movable rod is not changed by this. The maximum current for the coil only has to be provided for the brief moment of the actual remagnetization (< 1 µs) of the sleeve material. The end position "top" provides the maximum holding force and is realized by the magnetic attraction between the specially shaped plate (= "main pole", armature) and the suitably dimensioned end face of the surrounding sleeve. This front surface is dimensioned in such a way that it provides the required holding force in conjunction with the specially shaped main pole, but is set up in such a way that it can be overcome in the event of a switchover (sleeve and coil current reversed) and the armature can thus move to the other end position. The geometric position of the "bottom" end position is clearly defined by the total length of the rod and thus the distance of the "auxiliary pole" from the armature.

Weiterhin wird diese Aufgabe bei einer Vorrichtung zur Anordnung von Axial-Aktuatoren nach Anspruch 1 für taktile Displays mit einer Stift-Platte und Stiften, nach Patentanspruch 2 dadurch gelöst, dass die Aktuatoren in mindestens zwei und maximal vier zur Stift-Platte des Displays parallel verlaufenden und senkrecht gestaffelten Ebenen derart angeordnet sind, dass die lateralen gegenseitigen Abstände der Aktuatoren in einer Ebene größer sind, als das für die Stift-Platte vorgegebene Rastermaß.Furthermore, this object is achieved in a device for arranging axial actuators according to claim 1 for tactile displays with a pin plate and pins, according to claim 2 in that the actuators are arranged in at least two and a maximum of four planes running parallel to the pin plate of the display and staggered vertically in such a way that the lateral mutual distances of the actuators in one plane are greater than the grid dimension specified for the pin plate.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht auf überraschend einfache Art und Weise die Realisierung eines Displays mit minimaler Bauhöhe, wobei die einzelnen Axial-Aktuatoren zweidimensional - versetzt parallel zur Stift-Platten-Ebene mit Stiften des Flächen-Displays angeordnet werden. Die Arbeitsrichtung der einzelnen Aktuatoren und die Ebene der Stift-Platte stehen senkrecht aufeinander.The device according to the invention enables the realization of a display with a minimal height in a surprisingly simple manner, whereby the individual axial actuators are arranged two-dimensionally - offset parallel to the pin-plate plane with pins of the surface display. The working direction of the individual actuators and the plane of the pin-plate are perpendicular to each other.

In Weiterbildung der Erfindung hat, gemäß Patentanspruch 3, der Haupt-Pol die Kontur eines Kegels oder eines Kegel-Stumpfes oder eines Kegel-Stumpfes mit scheibenförmiger Grundfläche als tellerartige Erweiterung, wobei die Höhe des Kegels oder des Kegel-Stumpfes oder die Höhe der tellerartigen Erweiterung des Stabes bewirken, dass das Streufeld des tellerartigen Haupt-Pols in der „unten“-Position des Aktuators nicht mehr in der Lage ist, die Magnetisierung der Hülse umzuschalten.In a further development of the invention, according to claim 3, the main pole has the contour of a cone or a truncated cone or a truncated cone with a disk-shaped base as a plate-like extension, wherein the height of the cone or the truncated cone or the height of the plate-like extension of the rod means that the stray field of the plate-like main pole in the "down" position of the actuator is no longer able to switch the magnetization of the sleeve.

Diese Weiterbildung weist den Vorteil auf, dass auf einfache Art und Weise die räumliche Ausdehnung des Streufelds gezielt beeinflusst werden kann, so dass eine enge (= Raster-Abstand kleiner oder gleich 2,5mm) flächige Aneinanderreihung der Einzel-Aktuatoren in einem braille-Schrift-Display und/oder grafischen Flächendisplay gewährleistet sein kann.This further development has the advantage that the spatial extent of the stray field can be influenced in a simple manner, so that a close (= grid spacing less than or equal to 2.5 mm) surface arrangement of the individual actuators in a Braille display and/or graphic surface display can be ensured.

In Ausbildung der Erfindung ist, gemäß Patentanspruch 11, zum zuverlässigen Betrieb der beweglicher Taststifte unter der Ebene der Stift-Platte eine mechanische Schmutzblende angeordnet, die durch geometrische Abschattung das Eindringen von Schmutzpartikeln in den Innenraum minimiert.In an embodiment of the invention, according to claim 11, a mechanical dirt shield is arranged below the plane of the pin plate for reliable operation of the movable stylus pins, which minimizes the penetration of dirt particles into the interior by geometric shading.

Diese Ausbildung weist den Vorteil auf, dass es nun möglich ist, sowohl das Größen-Spektrum als auch die Menge der in der Umgebung des Aktuators abgelagerten Schmutz-Partikel zu minimieren. Dadurch dass unter der Führung des Einzelstifts in der Stift-Platte eine geometrisch als Schmutzblende wirkende Vorrichtung eingebaut ist, wird der eigentliche Aktuator von Schmutz abschirmt. Die fertigungstechnische Schwierigkeit, dabei hochpräzise mechanische Passungen zwischen Stift -Platte und Aktuator zu gewährleisten wird umgangen, indem der Stift mit dem Aktuator über eine lösbare magnetische Verbindung gekoppelt ist, die sich schon beim ersten Montagevorgang in der Fertigung des Displays von selbst geometrisch justiert. Für den späteren Servicefell entsteht der zusätzliche Vorteil, dass der Endnutzer (mit Hilfe eines sehr einfachen Greifwerkzeuges oder den Fingernägeln) den einzelnen Stift von außen aus dem Display entfernen kann, um anschließend mittels einer Reinigung gezielt den betroffenen einzelnen Stift selbst sowie dessen Führungsflächen wieder funktionstüchtig zu machen.This design has the advantage that it is now possible to minimize both the size spectrum and the amount of dirt particles deposited in the vicinity of the actuator. Because a geometrically designed dirt shield is installed under the guide of the individual pin in the pin plate, acting device is installed, the actual actuator is shielded from dirt. The manufacturing difficulty of ensuring high-precision mechanical fits between the pin plate and the actuator is avoided by coupling the pin to the actuator via a detachable magnetic connection, which geometrically adjusts itself during the first assembly process in the production of the display. For later servicing, there is the additional advantage that the end user can remove the individual pin from the outside of the display (with the help of a very simple gripping tool or fingernails) and then use a targeted cleaning to make the affected individual pin itself and its guide surfaces functional again.

In Weiterbildung der Erfindung bei einer Schaltmatrix, gemäß Patentanspruch 14, zur Ansteuerung von Zeilen-und Spalten-weise verbundener Spulen bei einer Vorrichtung nach Anspruch 5, weisen die Spulen im Inneren jeweils einen hartmagnetischen axial beweglichen Kern auf, und somit kann die einzelne Spule sowohl passiv als Sensor über die elektromagnetische Induktion durch mechanisches Verschiebung des hartmagnetischen Kerns, als auch mechanisch aktiv als Aktuator mittels gezielter Bestromung der Spule fungieren.In a further development of the invention in a switching matrix, according to claim 14, for controlling coils connected in rows and columns in a device according to claim 5, the coils each have a hard magnetic axially movable core inside, and thus the individual coil can function both passively as a sensor via electromagnetic induction by mechanical displacement of the hard magnetic core, and mechanically actively as an actuator by means of targeted current supply to the coil.

Diese Weiterbildung weist den Vorteil auf, dass auf einfache Art und Weise eine einfache und kostengünstige Anordnung zur elektrischen Beschaltung von elektromagnetischen Aktuator - Spulen bereitgestellt wird, die es erlaubt, das taktile Anzeige-Display ausschließlich mittels der bereits vorhandenen Aktuator-Spulen zur Ausgabe von Daten auch als Eingabe-Einheit zu nutzen, ohne dass zusätzliche Eingabe-Schalter oder weitere Eingabe-Sensoren verbaut werden müssen.This further development has the advantage that a simple and cost-effective arrangement for the electrical wiring of electromagnetic actuator coils is provided in a simple manner, which allows the tactile display to be used exclusively by means of the already existing actuator coils for outputting data as an input unit, without the need to install additional input switches or further input sensors.

Ein Beispiel für Intuitiv nutzbare optisch-taktile Sehhilfe zur Substitution des menschlichen Seh-Sinns ist die primäre optische Bildinformation einer Kamera, welche als Flächen-Sensor oder Zeilen-Sensor ausgestaltet, nach Durchlaufen einer software-mäßigen Bildbearbeitung zwecks Datenreduktion und Bilderkennung einer großflächigen taktilen Anzeigevorrichtung zugeführt wird, wobei die Zahl der taktilen Rasterpunkte mindestens 50 x 80 = 400 beträgt. Dies weist den Vorteil auf, dass auf einfache Art und Weise die vorhandenen taktilen Fähigkeiten dabei ausreichen, rein intuitiv, d.h. ohne durch weitere kognitive Steuerungs- und Kontroll-Funktionen, auf einem großflächigen taktilen Punktraster (typisch mindestens 80 x 100 Punkte) Darstellungs- und Warn-Möglichkeiten des Gesichtssinns zu substituieren. Wesentlich ist hier insbesondere die evolutionsbedingte Architektur: bewusstes Sehen (mit hoher Auflösung) versus unbewusstes, dafür aber schnelles periphäres Sehen (mit geringer Auflösung) in die taktile Domäne zu übertragen. Der Trainingsaufwand übersteigt dabei den üblichen Aufwand zur Gewöhnung an ein neues taktiles Hilfsmittel nicht.An example of an intuitively usable optical-tactile visual aid for substituting the human sense of sight is the primary optical image information of a camera, which is designed as an area sensor or line sensor and, after undergoing software-based image processing for the purpose of data reduction and image recognition, is fed to a large-area tactile display device, with the number of tactile grid points being at least 50 x 80 = 400. This has the advantage that the existing tactile abilities are sufficient in a simple way to substitute the display and warning options of the visual sense purely intuitively, i.e. without using additional cognitive control and monitoring functions, on a large-area tactile dot grid (typically at least 80 x 100 points). What is particularly important here is the evolutionary architecture: transferring conscious vision (with high resolution) versus unconscious but fast peripheral vision (with low resolution) into the tactile domain. The training effort does not exceed the usual effort required to get used to a new tactile aid.

Weitere Vorteile und Einzelheiten lassen sich der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmen. In der Zeichnung zeigt:

  • 1a bis 1d verschiedene Funktionsphasen einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen magnetisch bistabilen axialsymmetrischen Linear-Aktuators,
  • 2a bis 2e fünf weitere Ausgestaltungen des Linear-Aktuators gemäß der Erfindung,
  • 3 die Ausgestaltung gemäß 2d in einer weiteren Funktionsphase,
  • 4 das Diagramm aus Haltekraft und Gegenkraft für verschiedene geometrische Kombinationen in Ausgestaltung des Linear-Aktuators gemäß der Erfindung,
  • 5 die Ausgestaltung eines Displays mit zwei Aktuator-Ebenen gemäß der Erfindung,
  • 6 das Lochmuster des Displays nach 5,
  • 7 das Prinzip des Raster-Besetzungsmusters für eine Ausgestaltung eines Displays mit vier Aktuator-Ebenen,
  • 8 eine Schrägbild-Skizze der gesamten Stapel-Anordnung für das Display mit 4 Aktuator-Ebenen nach 7,
  • 9 eine Darstellung zur Verschmutzungs-Situation bei einem taktilen Display,
  • 10 die Verschmutzungs-Situation bei einem taktilen Display mit einer Schmutzblende und beweglichen Taststiften und magnetischer Ankopplung mit Selbstjustierung gemäß der Erfindung,
  • 11 das Einsetzen oder Entfernen eines beweglichen Taststifts für eine Vorrichtung/ taktiles Display nach 10,
  • 12 die Verschmutzungs-Situation für eine zweite Ausgestaltung eines taktilen Displays mit einer Schmutzblende und beweglichen Taststiften und magnetischer Ankopplung mit Selbstjustierung gemäß der Erfindung,
  • 13a, 13b die Verdeutlichung der Selbstjustierung für die Displays nach 10 bis 12,
  • 14 den Aufbau und die Beschaltung einer Spulen-Matrix für die aktive Aktuator-Funktion gemäß der Erfindung,
  • 15 die Spulen-Matrix nach 14 im hochohmigen Eingabezustand der Vorrichtung.
  • 16 die Block-Anordnung einer intuitiven Sehhilfe mit einem Flächendisplay mit konstantem Rasterabstand der taktilen Punkte gemäß der Erfindung,
  • 17 eine Ausgestaltung mit einem Flächendisplay mit geometrisch nicht einheitlichem Punktraster,
  • 18 eine Ausführungsform mit einer Anordnung von Kamera Datenverarbeitung und taktiles Display in einem Gehäuse,
  • 19 eine Ausführungsform mit eingebauter Zeilenkamera / Scanner
  • 20 eine Ausführungsform als mobile Variante, insbesondere Smartphone.
  • 21 die Ausführungsform nach 20 in Seitenansicht und
  • 22 eine weitere Ausführungsform der mobilen Variante.
Further advantages and details can be found in the following description of preferred embodiments of the invention with reference to the drawing. In the drawing:
  • 1a to 1d various functional phases of a first embodiment of the magnetically bistable axially symmetric linear actuator according to the invention,
  • 2a to 2e five further embodiments of the linear actuator according to the invention,
  • 3 the design according to 2d in a further functional phase,
  • 4 the diagram of holding force and counterforce for various geometric combinations in the design of the linear actuator according to the invention,
  • 5 the design of a display with two actuator levels according to the invention,
  • 6 the hole pattern of the display 5 ,
  • 7 the principle of the grid pattern for a design of a display with four actuator levels,
  • 8th an oblique sketch of the entire stack arrangement for the display with 4 actuator levels according to 7 ,
  • 9 a representation of the contamination situation on a tactile display,
  • 10 the contamination situation in a tactile display with a dirt cover and movable styluses and magnetic coupling with self-adjustment according to the invention,
  • 11 the insertion or removal of a movable stylus for a device/tactile display after 10 ,
  • 12 the contamination situation for a second embodiment of a tactile display with a dirt cover and movable styluses and magnetic coupling with self-adjustment according to the invention,
  • 13a , 13b the clarification of the self-adjustment for the displays after 10 until 12 ,
  • 14 the structure and wiring of a coil matrix for the active actuator function according to the invention,
  • 15 the coil matrix after 14 in the high impedance input state of the device.
  • 16 the block arrangement of an intuitive visual aid with a surface display with constant grid spacing of the tactile points according to the invention,
  • 17 a design with a surface display with a geometrically non-uniform dot grid,
  • 18 an embodiment with an arrangement of camera data processing and tactile display in one housing,
  • 19 a version with built-in line camera / scanner
  • 20 an embodiment as a mobile variant, especially smartphone.
  • 21 the embodiment according to 20 in side view and
  • 22 another embodiment of the mobile variant.

In 1a wird zur Verdeutlichung der rein magnetischen Funktionsweise eine Ansicht der erfindungsgemäßen Anordnung in der „oben“ - Position des Stabes 1 gezeigt. Bei dieser und den folgenden Darstellungen (siehe 1b, 1c, 1d) wird aus Gründen der Übersichtlichkeit zunächst nur ein rechteckiger Querschnitt der axialsymmetrischen Pole herangezogen. Der linear frei bewegliche hartmagnetische Stab 1 gleitet in der ebenfalls hartmagnetischen Hülse 2.In 1a To illustrate the purely magnetic mode of operation, a view of the arrangement according to the invention is shown in the “up” position of the rod 1. In this and the following illustrations (see 1b , 1c , 1d ), for reasons of clarity, only a rectangular cross-section of the axially symmetric poles is initially used. The linearly freely movable hard magnetic rod 1 slides in the also hard magnetic sleeve 2.

Dargestellt ist die stabile „oben“ Position, bei der die Spule 3 nicht bestromt ist. Der tellerförmige Haupt-Pol 1b gewährleistet die räumlich klar definierte, mit maximaler Kraft eingehaltene „oben“- Position des Stabes 1. Die Dicke des Hauptpols 1b ist mit „H1“ bezeichnet. Mit „h“ ist der Überstand des Hilfspols 1a als Differenz zur Länge der Hülse 2 bezeichnet. Die in beiden Materialien vorliegenden axialen Magnetisierungs-Richtungen sind durch Pfeile gekennzeichnet. Die Darstellung der Magnetisierungsrichtungen ist dabei als Prinz-Skizze zu betrachten.The stable "up" position is shown, in which the coil 3 is not energized. The plate-shaped main pole 1b ensures that the "up" position of the rod 1 is spatially clearly defined and maintained with maximum force. The thickness of the main pole 1b is designated "H1". The protrusion of the auxiliary pole 1a is designated "h" as the difference to the length of the sleeve 2. The axial magnetization directions present in both materials are marked by arrows. The representation of the magnetization directions should be viewed as a schematic diagram.

1b zeigt die Übergangs-Phase von der „oben“ zur „unten Position, bei der die Hülse 2 bereits durch das Magnetfeld der nunmehr bestromten Spule 3 (wie durch die Punkte und Kreuze in den Draht-Querschnitten veranschaulicht) umgepolt ist. Der dicke vertikale Pfeil deutet die Bewegung nach unten an, die dargestellte Magnetisierung ist schematisch zu sehen, wie bereits bei der Beschreibung von 1a ausgeführt wurde. 1b shows the transition phase from the "up" to the "down" position, in which the sleeve 2 is already reversed by the magnetic field of the now energized coil 3 (as illustrated by the dots and crosses in the wire cross-sections). The thick vertical arrow indicates the downward movement, the magnetization shown can be seen schematically, as already in the description of 1a was executed.

1c zeigt die stabile „unten“-Position des Stabes 1, ebenfalls mit unbestromter Spule 3 und durch Pfeile gekennzeichnete Magnetisierungs-Richtungen. In dieser Lage dient das obere Ende 1a des Stabes 1 als Hilfs-Pol, der die „unten“ Lage des gesamten Stabes 1 kraft- und positionsmäßig realisiert. Über die Dicke H1 des Ankers wird prinzipiell der räumliche Stärke-Abfall des magnetischen Feldes des Haupt-Pols 1b an dessen Oberseite gesteuert (Entmagnetisierungsfelder im Inneren des Pols). Die Feldstärke wird dabei so eingerichtet, dass in der „unten“ - Position des Stabes (siehe 1c) keine Ummagnetisierung des Hülsen-Materials durch das Streufeld des Ankers 1b geschehen kann und die Position somit geometrisch und kraftmäßig stabil ist. 1c shows the stable "down" position of the rod 1, also with the coil 3 de-energized and the magnetization directions marked by arrows. In this position, the upper end 1a of the rod 1 serves as an auxiliary pole, which realizes the "down" position of the entire rod 1 in terms of force and position. The thickness H1 of the armature is used to control the spatial strength drop of the magnetic field of the main pole 1b on its upper side (demagnetization fields inside the pole). The field strength is set up in such a way that in the "down" position of the rod (see 1c ) no remagnetization of the sleeve material can occur due to the stray field of the armature 1b and the position is therefore geometrically and force-wise stable.

Zur Realisierung der Aufwärtsbewegung des Stabes 1 fließt der Spulenstrom dann in die Gegenrichtung, mit nunmehr umgekehrter Magnetisierung der Hülse 2 und entsprechend umgekehrter Kraftrichtung, wie in 1d dargestellt. Der dicke Pfeil kennzeichnet nun die Bewegungsrichtung nach oben.To realize the upward movement of the rod 1, the coil current then flows in the opposite direction, with now reversed magnetization of the sleeve 2 and correspondingly reversed force direction, as in 1d The thick arrow now indicates the upward direction of movement.

Bei der technischen Realisation zeigt sich der Übergang von 1a (unbestromte, stabile Lage „oben“) zur Situation in 1b (gerade ummagnetisierte Hülse 2 mit bestromter Spule) als besonders kritisch, weil mit der Forderung nach hoher „oben“ - Haltekraft des Aktuators einerseits und einer mit vertretbaren Spulenströmen (z.B. unter 3 A) möglichen Trennung des Tellers 1b von der Hülse 2 andererseits, zwei gegeneinander arbeitende Phänomene beteiligt sind: große Haltekraft erfordert starke Anziehung zwischen Hauptpol 1b und Hülse 2, während leichte Ablösbarkeit der Partner durch moderate Spulenströme gerade ein schwächeres Hauptpol - Feld fordert. Zudem sind die sich tatsächlich einstellenden mikro-magnetischen Polarisationsverhältnisse in der Hülse 2 quantitativ schwer zu erfassen und können im Detail schon gar nicht durch das „von außen“ angreifende makroskopische Spulenfeld gesteuert werden.The technical implementation shows the transition from 1a (unpowered, stable position “above”) to the situation in 1b (just remagnetized sleeve 2 with energized coil) is particularly critical because the requirement for a high "up" holding force of the actuator on the one hand and a separation of the plate 1b from the sleeve 2 with acceptable coil currents (e.g. under 3 A) on the other hand, two opposing phenomena are involved: a high holding force requires a strong attraction between the main pole 1b and sleeve 2, while the easy detachability of the partners by moderate coil currents requires a weaker main pole field. In addition, the micro-magnetic polarization conditions that actually arise in the sleeve 2 are difficult to quantitatively determine and cannot be controlled in detail by the macroscopic coil field attacking "from the outside".

In Hinblick auf den Energiebedarf sind auch die elektrischen Schaltzeiten der Anordnung zu berücksichtigen. Das Feld des sich von der Hülse 2 entfernenden tellerförmigen Haupt-Pol 1b muss so schwach sein, dass es das Hülsenmaterial nicht mehr umschalten kann, wenn nach Abschalten des Spulenstroms die Unterstützung des abstoßenden Spulen-Magnetfeldes nicht mehr gegeben ist. Im aktiven Fall (Aktuator-Betrieb) ist die typische Anstiegszeit des Spulenstromes ca. 300µs, entsprechend der Induktivität der eingesetzten Spule 3 (typische Maße: Außendurchmesser 3.2mm, Länge 4mm, ca. 250 Windungen) bei einer typischen Ansteuerspannung von ca. 30V. Für die sichere Funktion des derart dimensionierten Aktuators sind nur ca. 3A Spulenstrom bei einer Einschaltdauer von ca. 1ms erforderlich.With regard to the energy requirement, the electrical switching times of the arrangement must also be taken into account. The field of the plate-shaped main pole 1b moving away from the sleeve 2 must be so weak that it can no longer switch the sleeve material if the support of the repulsive coil magnetic field is no longer available after the coil current is switched off. In the active case (actuator operation), the typical rise time of the coil current is approx. 300µs, corresponding to the inductance of the coil 3 used (typical dimensions: outer diameter 3.2mm, length 4mm, approx. 250 turns) with a typical control voltage of approx. 30V. For the reliable function of the actuator dimensioned in this way, only approx. 3A coil current with a duty cycle of approx. 1ms is required.

Im passiven Fall (Betrieb der Anordnung als taktile Eingabe-Einheit, trivialerweise muss der taktile Pin dann in der „oben“-Position sein) gelten die physikalischen Zusammenhänge der elektromagnetischen Induktion: abhängig von der Rate der magnetischen Fluß-Änderung durch die Spule - bewirkt durch die Bewegung von Hauptpol 1b und Hilfspol 1a beim Niederdrücken des angekoppelten taktilen Stiftes - stellt sich über den Spulenenden eine elektrische Potentialdifferenz ein. Mit der Dynamik eines taktilen Fingerdrucks lassen sich auf diese Weise Induktionsspannungen von ca. 35mV erzielen. Die zeitliche Pulsform ist verhältnismäßig komplex, bestehend aus dem Basis-Verlauf entsprechend der rein mechanisch-taktilen Bewegungsrate und einem pegelmäßig kleineren höherfrequenten Anteil. Vermutlich nutzt man hier 2 parallele Vorgänge: einerseits wird die Magnetisierung der Hülse 2 durch das „langsame“ räumliche Entfernen des tellerförmigen Hauptpols 1b insgesamt herabgesetzt (Entspannung der beteiligten Domänen-Magnetisierung in ihre ursprüngliche Orientierung der leichten magnetischen Achse) und zudem beginnt der Hilfspol 1a beim gleichzeitigen Eintauschen in das Oberteil der Hülse 2 bereits mit der Ummagnetisierung der ersten Domänen des Hülsenmaterials. Aufgrund der mikro-magnetischen Form-Anisotropie der verwendeten Materialien geschieht dieses Umklappen der lokalen Domänen-Magnetisierung erst ab einer gewissen Feld-Schwelle, dann aber „schlagartig“, womit sich der hochfrequente Pulsanteil erklärt. Beim Loslassen des taktilen Stifts federt dieser in die ursprünglich gesetzte „oben“ Position zurück, wie es für die weiterhin korrekte Anzeige der Daten (= gesetzte braille-Pins) für den Aktuator im Ausgabe-Modus erforderlich ist. Der Spannungspeak beim Loslassen ist tendenzmäßig ca. 20% höher, mit vermehrt auftretenden hochfrequenten Anteilen beim „Aufschlagen“ des Hauptpols 1b auf die Stirnfläche der Hülse Bei Verwendung einer geeigneten elektrischen Detektions-Technik (insbesondere eine „partial-response“-Detektion, wie in der magnetischen Speicherung beim HDD- Auslesen üblich ist) kann man den erfindungsgemäßen bi-stabilen Aktuator auch als Eingabe-Einheit verwenden. Dank der Matrix-Ansteuerung der Spulen ist dabei sogar die Position des gedrückten Pins bekannt. Damit kann auf überraschend einfache Art und Weise, am taktilen Display ein Maus-Cursor simuliert und kann am Computer eine 1:1 Übertragung der Bildschirm-orientierten Arbeitsweise in die taktile Domäne des blinden PC-Nutzers realisiert werden.In the passive case (operation of the arrangement as a tactile input unit, trivially the tactile pin must then be in the "up" position) the physical relationships of electromagnetic induction apply: depending on the rate of the magnetic flux change through the coil - caused by the movement of the main pole 1b and auxiliary pole 1a when the coupled tactile pin is pressed down - an electrical potential difference is established across the coil ends. With the dynamics of a tactile finger pressure, induction voltages of approx. 35mV can be achieved in this way. The temporal pulse shape is relatively complex, consisting of the basic course corresponding to the purely mechanical-tactile movement rate and a lower level, higher frequency component. Presumably, two parallel processes are used here: on the one hand, the magnetization of the sleeve 2 is reduced overall by the "slow" spatial removal of the plate-shaped main pole 1b (relaxation of the domain magnetization involved to its original orientation of the easy magnetic axis) and, in addition, the auxiliary pole 1a begins to remagnetize the first domains of the sleeve material when it is simultaneously exchanged for the upper part of the sleeve 2. Due to the micro-magnetic shape anisotropy of the materials used, this reversal of the local domain magnetization only occurs above a certain field threshold, but then "suddenly", which explains the high-frequency pulse component. When the tactile pin is released, it springs back to the originally set "up" position, as is necessary for the continued correct display of the data (= set braille pins) for the actuator in output mode. The voltage peak when released tends to be around 20% higher, with increased high-frequency components when the main pole 1b "hits" the front face of the sleeve. When using a suitable electrical detection technology (in particular a "partial response" detection, as is common in magnetic storage when reading HDDs), the bistable actuator according to the invention can also be used as an input unit. Thanks to the matrix control of the coils, even the position of the pressed pin is known. This makes it surprisingly easy to simulate a mouse cursor on the tactile display and to implement a 1:1 transfer of the screen-oriented working method to the tactile domain of the blind PC user on the computer.

Diese Erkenntnisse sind die Gründe für die neuartige, spezielle Ausgestaltung der Polformen des Aktuators in der vorgestellten taktilen Anwendung. Die Gruppe der Darstellungen 2b, 2c, 2d und 2e zeigt den Effekt dieser speziellen Kontur von Hauptpol/Teller 1b und Hülse 2 auf die Magnetfelder im Vergleich zu einer einfachen Zylinder-Form mit 1:1 Größen-Passung der Durchmesser von Teller 1b und Hülse 2 wie in 2a dargestellt. Dort wird das (starke) Streufeld 4 des Hauptpols 1b lediglich symbolisch durch die Stärke und laterale Position des gebogenen Doppelpfeils dargestellt. Man kann sich z.B. vorstellen, dies sei in etwa die räumliche Ausdehnung, bis zu der das (starke) Streufeld 4 des Hauptpols 1b noch in der Lage wäre, das niederkoerzitivere Material der Hülse 2 trotz Präsenz des Spulenfeldes dominant zu magnetisieren. Mit W1 bzw. w2 wird diese räumliche Ausdehnung der entsprechenden Streufelder 4 bzw. 4cd angedeutet. W1 ist dabei deutlich größer als w2. Der physikalische Hintergrund wird nur rein qualitativ gezeigt um die speziellen Auswirkungen der Pol-Konturen zu verdeutlichen.These findings are the reasons for the novel, special design of the pole shapes of the actuator in the tactile application presented. The group of representations 2 B , 2c , 2d and 2e shows the effect of this special contour of main pole/plate 1b and sleeve 2 on the magnetic fields compared to a simple cylinder shape with 1:1 size fit of the diameters of plate 1b and sleeve 2 as in 2a shown. There, the (strong) stray field 4 of the main pole 1b is only symbolically represented by the strength and lateral position of the curved double arrow. One can imagine, for example, that this is approximately the spatial extent up to which the (strong) stray field 4 of the main pole 1b would still be able to dominantly magnetize the low-coercivity material of the sleeve 2 despite the presence of the coil field. W1 and w2 indicate this spatial extent of the corresponding stray fields 4 and 4cd, respectively. W1 is significantly larger than w2. The physical background is only shown purely qualitatively in order to illustrate the special effects of the pole contours.

Betrachtet man allein die Haltekraft in der „oben“ - Position, so erscheint zunächst die Ausführungsform der 2a in Bezug auf die Haltekraft als die optimale Lösung für die taktile Anwendung. Jedoch erfordern die Magnetisierungs- ,Kraft- und Feld - Verhältnisse der beteiligten Komponenten Hülse 2, Stab 1, Teller 1b und bestromte Spule 3 im Umschaltfall (siehe hierzu Situation 1a zu Situation 1b) eine genau kalkulierte Absenkung eben dieser maximalen Haltekraft, was durch die Adjustierung des Durchmesser-Quotienten von Teller 1a und Kragen der an einem Ende erweiterten Hülse 2 erreicht wird. Man erkennt, wie die (starken) Randfelder (Streufelder) 4 des Tellers 1b im Falle der 2b „ins Leere“ greifen, während in 2a eben wegen dieser Randfelder die maximale Anziehungskraft zwischen Teller 1b und Hülse 2 erreicht wird. Die technische Realisierung zeigt nun, dass mit vertretbaren Spulenströmen (von z.B. unter 3A) keine ausreichende Gegenkraft zur Ablösung erzeugt werden kann, wenn ein moderater Spulenstrom und die Hülsen-Magnetisierung eine Abwärtsbewegung des Stabes 1 einleiten sollen.If one considers only the holding force in the “up” position, the design of the 2a in terms of holding force as the optimal solution for tactile application. However, the magnetization, force and field conditions of the components involved, sleeve 2, rod 1, plate 1b and energized coil 3, require in the switching case (see situation 1a to situation 1b) a precisely calculated reduction of this maximum holding force, which is achieved by adjusting the diameter ratio of plate 1a and collar of the sleeve 2, which is widened at one end. It can be seen how the (strong) edge fields (stray fields) 4 of plate 1b in the case of 2 B “reaching into the void”, while in 2a It is precisely because of these edge fields that the maximum attraction force between plate 1b and sleeve 2 is achieved. The technical implementation now shows that with reasonable coil currents (e.g. less than 3A) no sufficient counterforce for detachment can be generated if a moderate coil current and the sleeve magnetization are to initiate a downward movement of the rod 1.

Die kegelförmige spezielle Ausführung des Tellers 1b in 2c bewirkt genau diese Absenkung des maximalen Haltefeldes und sorgt zusätzlich für eine deutliche, zielgerichtete Verkleinerung des magnetischen Streufeldes 4cd zu einem bzw. mehreren weiteren benachbarten Aktuatoren, die aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht in die Darstellungen eingezeichnet sind. Beide Kontur-Maßnahmen können in der technischen Realisation je nach aktuellen Feld-Verhältnissen (bedingt z.B. durch Details des verwendeten magnetischen Materials und den Abstands-Verhältnissen zwischen den Stiften benachbarter Aktuatoren) gemeinsam (2d , wo der Teller 1b exemplarisch als Kegelstumpf ausgeführt ist, 2e wo eine alternative stufige Ausführungsform der Kontur gezeigt wird), aber jeweils auch nur einzeln eingesetzt werden (2b, 2c).The conical special design of the plate 1b in 2c causes exactly this reduction of the maximum holding field and also ensures a clear, targeted reduction of the magnetic stray field 4cd to one or more other neighboring actuators, which are not shown in the illustrations for reasons of clarity. Both contour measures can be used together in the technical implementation depending on the current field conditions (due, for example, to details of the magnetic material used and the distance ratios between the pins of neighboring actuators) ( 2d , where the plate 1b is designed as a truncated cone, 2e where an alternative stepped design of the contour is shown), but can also be used individually ( 2 B , 2c ).

In 3 wird die erfindungsgemäße Anordnung am oberen stabilen Arbeitspunkt, ohne Bestromumg der Spule 3 gezeigt. Die hier relevanten Magnetisierungen von Hülse 2 und Stab 1 sind schematisch angegeben.In 3 the arrangement according to the invention is shown at the upper stable operating point, without current flowing through the coil 3. The magnetizations of sleeve 2 and rod 1 relevant here are shown schematically.

In 4 werden die konkreten Auswirkungen der beschriebenen Konturierungs-Maßnahmen der Pole für verschiedene geometrische Kombinationen ausgeführt. Koerzitiv-Feldstärken und Sättigungsmagnetisierungen der Stab und Hülsen - Materialkombination (1, 2) waren (9700 A/cm bei 1,2 Tesla) bzw. (480 A/cm bei 1,38 Tesla). Aufgetragen ist die „Gegenkraft“, die für die Abwärtsbewegung des Stabes 1 negativ sein muss, über der erreichten (positiven) Haltekraft in der stabilen „oben“-Position. Bei Verwendung eines Tellers 1b mit Durchmesser 3,3mm und Höhe 1,5mm ergibt sich die beste Haltekraft von 1,75 N. Jedoch ist die Anordnung nicht brauchbar, weil sich beim Ummagnetisieren (3A Strom) eine positive, also nach oben gerichtete Gegenkraft ergibt: der Teller 1b bleibt an der Hülse 2 hängen.In 4 the specific effects of the described contouring measures of the poles are shown for various geometric combinations. Coercive field strengths and saturation magnetizations of the rod and sleeve material combination (1, 2) were (9700 A/cm at 1.2 Tesla) and (480 A/cm at 1.38 Tesla), respectively. The "counterforce", which must be negative for the downward movement of the rod 1, is plotted against the (positive) holding force achieved in the stable "up" position. Using a plate 1b with a diameter of 3.3 mm and a height of 1.5 mm, the best holding force is 1.75 N. However, the arrangement is not usable because when remagnetizing (3A current) a positive, i.e. upward, counterforce is created: the plate 1b remains stuck to the sleeve 2.

Rein skalen- technische Maßnahmen (Durchmesser 3,0 mm und Höhe 1,0 mm) bringen die Anordnung nicht in den funktionellen Bereich (in 4 angedeutet durch den offenen Pfeil, weisend vom großen Quadrat-Symbol zum kleineren). Erst die beschriebenen Kontur-Maßnahmen für die Pole bringen die gewünschten negativen Werte für die Gegenkraft, verbunden mit akzeptabler, leichter Reduktion der Haltekraft, wie durch die schwarz ausgefüllten dicken Pfeile verdeutlicht. Die beiden unteren Pfeile zeigen den Effekt der Durchmesser-Reduktion des Hülsen-Kragens (um 30% bzw. 50 %), während der obere dicke Pfeil (zum dreieckigen Symbol) den Effekt der Kegel-Konturierung des Hauptpols 1b demonstriert. Das (weitere) Absinken der Haltekraft ist verständlich, jedoch überwiegt im Einsatz dann der Vorteil des geringeren Streufeldes zu Nachbar-Aktuatoren, wie bei 2c, 2d bereits beschrieben.Purely scale-technical measures (diameter 3.0 mm and height 1.0 mm) do not bring the arrangement into the functional range (in 4 indicated by the open arrow pointing from the large square symbol to the smaller one). Only the described contour measures for the poles bring the desired negative values for the counterforce, combined with an acceptable, slight reduction in the holding force, as shown by the thick black arrows. The two lower arrows show the effect of the diameter reduction of the sleeve collar (by 30% and 50% respectively), while the upper thick arrow (to the triangular symbol) demonstrates the effect of the cone contouring of the main pole 1b. The (further) reduction in the holding force is understandable, but in use the advantage of the lower stray field to neighboring actuators outweighs this, as with 2c , 2d already described.

Wie in 5 im Querschnitt am Beispiel von zwei Aktuator-Ebenen 13a und 13b vereinfachend gezeigt, die einzelnen Axial-Aktuatoren A zweidimensional - versetzt parallel zur Stift-Platten-Ebene 12 mit Stiften 11 des Flächen-Displays angeordnet werden. Die Arbeitsrichtung der einzelnen Aktuatoren A und die Ebene der Stift-Platte 12 stehen senkrecht aufeinander. Die kraftschlüssige Verbindung des einzelnen Aktuators A zum taktilen Stift 11 wird dabei über das im Durchmesser verjüngte untere Teil 14a und 14b des taktilen Stifts 11 herbeigeführt. Falls der eigentliche taktile Stift 11 und dessen verjüngter unterer Teil 14a bzw. 14b als körperlich und materialmäßig getrennte Teile ausgeführt sind genügt es, einen Typ von taktilen Stiften 11 mit dem großen Nenndurchmesser, aber sonst gleicher Länge für beide Aktuator-Ebenen 13a und 13b vorzusehen. Bei dieser Darstellung des Grundprinzips an nur 2 Aktuator-Ebenen 13a und 13b wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit die unterste Ebene der Ansteuer-IC's noch nicht eingezeichnet.As in 5 shown in a simplified cross-section using the example of two actuator levels 13a and 13b, the individual axial actuators A are arranged two-dimensionally - offset parallel to the pin-plate level 12 with pins 11 of the surface display. The working direction of the individual actuators A and the plane of the pin-plate 12 are perpendicular to each other. The force-fit connection of the individual actuator A to the tactile pin 11 is brought about via the lower part 14a and 14b of the tactile pin 11, which has a tapered diameter. If the actual tactile pin 11 and its tapered lower part 14a or 14b are designed as physically and materially separate parts, it is sufficient to provide one type of tactile pin 11 with the large nominal diameter, but otherwise the same length, for both actuator levels 13a and 13b. In this representation of the basic principle using only 2 actuator levels 13a and 13b, the lowest level of the control ICs has not yet been drawn in for reasons of clarity.

6 zeigt das Lochmuster der Anordnung entsprechend 5 in der Draufsicht auf die obere Aktuator-Ebene 13a, wobei die darüber liegende Stift-Platte 12 mit Stiften 11 nur am Rand der Zeichnung angedeutet ist. Mit A ist jeweils die Montageposition des einzelnen Aktuators A bezeichnet. Die Durchgangsbohrungen 15 für den verjüngten Betätigungs-Teil der Stifte 14b der darunterliegenden Aktuator-Ebene 13b sind dem geforderten Rastermaß d entsprechend angebracht. Man erkennt die prinzipielle Möglichkeit, einzelne Aktuatoren mit einer lateralen Dimension größer als das vorgegebene Rastermaß zu montieren. 6 shows the hole pattern according to the arrangement 5 in the top view of the upper actuator level 13a, whereby the pin plate 12 with pins 11 above is only indicated at the edge of the drawing. A denotes the mounting position of the individual actuator A. The through holes 15 for the tapered actuating part of the pins 14b of the actuator level 13b below are arranged in accordance with the required grid dimension d. One can see the basic possibility of mounting individual actuators with a lateral dimension larger than the specified grid dimension.

7 zeigt das Prinzip des Raster-Besetzungsmusters von vier Aktuator-Ebenen 13a bis 13d in einem x- y-Koordinaten-System in der Draufsicht. Die Rastermaße können prinzipiell durchaus in x- und y-Richtung verschieden sein, wie durch die Bezeichnung dx und dy angedeutet. Man erkennt, dass für alle Ebenen 13a bis 13d identische 4-Positionen-Grundmuster in jeweils doppeltem Abstand des Stift-Platten-Rasters dx und dy, je nach Aktuator-Ebene in x und y-Richtung lateral so verschoben sind, dass letztlich alle Rasterpunkte der hier nicht eingezeichneten obersten Stift-Platte 12 abgedeckt werden können. Es sind im engen Stift-Raster (d x und dy) in praktisch jeder Ebene, bis auf die unterste Ebene 14d, Durchgangsbohrungen für die Betätigungs-Stäbe 14a, 14b, 14c, 14d der jeweils unteren Ebenen angebracht. Diese können von der Dimensionierung ihres Durchmessers her wegen des verjüngten Durchmessers des Betätigungs-Teils der Stifte so gestaltet werden, dass für die Aktuatoren A in der betreffenden Ebene der größtmögliche freie Raum zur Verfügung steht. 7 shows the principle of the grid pattern of four actuator levels 13a to 13d in an x-y coordinate system in a top view. The grid dimensions can in principle be different in the x and y directions, as indicated by the designation dx and dy. It can be seen that for all levels 13a to 13d identical 4-position basic patterns are arranged at twice the distance of the pin-plate grid dx and dy, laterally shifted in the x and y directions depending on the actuator level, so that ultimately all grid points of the top pin plate 12 (not shown here) can be covered. In the narrow pin grid (dx and dy) in practically every level, except for the lowest level 14d, there are through holes for the actuating rods 14a, 14b, 14c, 14d of the respective lower levels. Due to the tapered diameter of the actuating part of the pins, their diameter can be designed in such a way that the greatest possible free space is available for the actuators A in the relevant plane.

Man findet in 8 die schematische Schrägbild-Skizze der gesamten Stapel-Anordnung für den maximalen Fall von 4 Aktuator-Ebenen. Hier sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur für die außen liegenden Aktuatoren der Ebenen 13a und 13b Aktuator-Positionen eingezeichnet. In den Ebenen 13c und 13d starten die entsprechenden Positionen einen Rasterabstand weiter im Inneren der jeweiligen Ebene. Besetzt werden die Positionen entsprechend 7: also z.B. für die unterste Ebene 13d an den Positionen der Oktogon-Symbole. Die Ebene 16, in der die integrierten Schaltkreise montiert sind, schließt das Display nach unten ab.You can find in 8th the schematic oblique sketch of the entire stack arrangement for the maximum case of 4 actuator levels. For reasons of clarity, actuator positions are only drawn here for the outer actuators of levels 13a and 13b. In levels 13c and 13d, the corresponding positions start one grid spacing further inside the respective level. The positions are occupied accordingly 7 : for example, for the lowest level 13d at the positions of the octagon symbols. Level 16, in which the integrated circuits are mounted, completes the display at the bottom.

Vorteilhaft greift man bei der Herstellung der Aktuator- Ebenen 13a bis 13d auf bewährte Leiterplatten-Technologien zurück, mit deren Hilfe insbesondere die zahlreichen Durchbrüche in den Aktuator-Platten kostengünstig automatisch fertigbar sind. Auch die Bereitstellung notwendiger Verdrahtungen zur Aktuator-Ansteuerung (völlig unabhängig davon, welcher Aktuator-Typ tatsächlich eingesetzt wird) ist damit durch einen bestens eingeführten Fertigungsprozess gewährleistet. Schließlich lässt es der von Durchbrüchen freie Raum auf den Ebenen auf einfache Weise zu, auch die elektrischen Verbindungen (nicht eingezeichnet) zwischen den Ebenen bis zur Schaltkreis-Ebene 16 ähnlich den mechanischen Verbindungen zwischen Stift 11 und einzelnem Aktuator A senkrecht zur Stift-Platte 12 verlaufen zu lassen.It is advantageous to use proven printed circuit board technologies for the production of the actuator levels 13a to 13d, with the help of which in particular In particular, the numerous openings in the actuator plates can be manufactured automatically and cost-effectively. The provision of the necessary wiring for actuator control (regardless of which actuator type is actually used) is thus guaranteed by a well-established manufacturing process. Finally, the space on the levels free of openings makes it easy to have the electrical connections (not shown) between the levels up to the circuit level 16 run perpendicular to the pin plate 12, similar to the mechanical connections between pin 11 and individual actuator A.

9 zeigt den rein geometrischen Hintergrund der Verschmutzungs-Situation. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird das Prinzip skizziert, es besteht also keine Maßstabs-Treue. Der senkrecht bewegte taktile Stift 21 gleitet in der Stiftplatte 12, angetrieben vom darunter liegenden Aktuator A, dessen raumfester Aufbau mit 23 bezeichnet ist. Ob es sich bei A um den eigentlichen Aktuator handelt (z.B. ein Piezo-Element) oder um die Funktionsfläche einer am Aktuator befestigten mechanischen Einheit (z.B. ein Kniehebel-Getriebe) ist für die folgende Betrachtung belanglos. Die senkrechte Linearbewegung beider Einheiten ist durch den Doppelpfeil symbolisiert. 9 shows the purely geometric background of the contamination situation. For reasons of clarity, the principle is sketched, so there is no scale accuracy. The vertically moving tactile pin 21 slides in the pin plate 12, driven by the actuator A underneath, whose fixed structure is designated 23. Whether A is the actual actuator (e.g. a piezo element) or the functional surface of a mechanical unit attached to the actuator (e.g. a toggle lever gear) is irrelevant for the following consideration. The vertical linear movement of both units is symbolized by the double arrow.

Die allgegenwärtigen Verschmutzungspartikel 24a dringen in den Innenraum des Displays ein, wie durch die kleinen Pfeile an den Partikeln angedeutet. Sie setzen sich entweder direkt 24b im Raum zwischen Stift 21 und Stiftplatte 12 fest, wo sie die Stiftbewegung sofort behindern, oder gelangen im Laufe der Betriebszeit des Displays sogar in die Umgebung des Funktionsbereiches des Aktuators A, um sich dort zunächst anzuhäufen, siehe 24c. Von dieser Stelle aus können sie später den Aktuator selbst massiv stören, siehe 24e.The omnipresent dirt particles 24a penetrate into the interior of the display, as indicated by the small arrows on the particles. They either settle directly 24b in the space between pin 21 and pin plate 12, where they immediately hinder the pin movement, or over the course of the operating time of the display they even reach the area around the functional area of actuator A, where they initially accumulate, see 24c. From this point they can later cause massive disruption to the actuator itself, see 24e.

Durch die Erfindung ist es nun möglich, sowohl das Größen-Spektrum als auch die Menge der in der Umgebung des Aktuators A abgelagerten Schmutz-Partikel 24c zu minimieren. Dies wird erreicht durch Anbringung der in 10 gezeigten Schmutzblende 25 in Verbindung mit dem Einsatz eines Betätigungs-Stabes 26 für den Stift 21 , dessen Durchmesser geringer ist, als der des taktilen Stifts 11. Die Schmutzblende 25 kann dabei als massives Teil (z.B. als mit Löchern versehene Blechplatte) aber auch als flexible Folie, die den Betätigungs-Stab 26 dicht umschließt, ausgeführt sein. Aufgrund des - im Vergleich zum Stift 21 - geringeren Durchmessers des Betätigungs-Stabes 26 treten bei der Folienlösung selbst bei dichter, manschettenartiger Umschließung deutlich geringere Hemmkräfte für die senkrechte Bewegung auf, weil die reibenden Kontaktflächen deutlich kleiner sind als bei Umschließung des eigentlichen Stifts.The invention now makes it possible to minimize both the size spectrum and the amount of dirt particles 24c deposited in the environment of the actuator A. This is achieved by attaching the 10 shown dirt shield 25 in conjunction with the use of an actuating rod 26 for the pin 21, the diameter of which is smaller than that of the tactile pin 11. The dirt shield 25 can be designed as a solid part (e.g. as a sheet metal plate with holes) or as a flexible film that tightly encloses the actuating rod 26. Due to the smaller diameter of the actuating rod 26 compared to the pin 21, the film solution results in significantly lower inhibiting forces for the vertical movement even with a tight, cuff-like enclosure, because the rubbing contact surfaces are significantly smaller than when the actual pin is enclosed.

Zur Entfernung des sich im Laufe der Betriebszeit angesammelten Schmutzpartikel kann der einzelne taktile Stift 21 mit seinem Betätigungs-Stab 26 leicht von außen durch den Benutzer entfernt werden, wie in 11 durch den gekrümmten Pfeil gezeigt. Die mechanische Ankopplung des Betätigungs-Stabes 26 an den Aktuator A erfolgt vorzugsweise durch magnetische Kopplung der beiden. Dabei ist der Betätigungs-Stab 26 selbst weichmagnetisch. Der Aktuator A selbst ist dagegen als kompletter Hartmagnet ausgebildet, wie in 13a gezeigt: Der Betätigung-Stab 26 ist hier magnetisch in lateral gesehen mittiger Position an die Stirnfläche 27 des Aktuators A gekoppelt. Entscheidend ist die für den Benutzer selbst bestehende Möglichkeit, den einzelnen Stift 21 durch Eingriff von außen leicht vom Aktuator A trennen zu können, um ihn später nach der Reinigung wieder problemlos zu platzieren.To remove the dirt particles accumulated during operation, the single tactile pin 21 with its actuating rod 26 can be easily removed from the outside by the user, as shown in 11 shown by the curved arrow. The mechanical coupling of the actuating rod 26 to the actuator A is preferably carried out by magnetic coupling of the two. The actuating rod 26 itself is soft magnetic. The actuator A itself, on the other hand, is designed as a complete hard magnet, as in 13a shown: The actuating rod 26 is magnetically coupled in a laterally central position to the front surface 27 of the actuator A. The decisive factor is the possibility for the user to easily separate the individual pin 21 from the actuator A by intervention from the outside in order to later reposition it without any problems after cleaning.

Dieses Vorgehen ist prinzipiell auch durch mechanische Koppel-Maßnahmen zwischen Betätigungs-Stab 26 und Aktuator A möglich (z.B. Klick-Verbindungen, Dreh-Arretierungen). Allerdings ist der gesteigerte konstruktive Aufwand für mechanische Lösungen vor allem wegen der Fertigungs-Probleme im Zusammenhang mit der Pass-Genauigkeit zwischen der Stiftplatte 12, Betätigungs-Stab 26 und Aktuator A sehr kritisch zu sehen: Eine Selbstjustierung der KontaktPosition des weichmagnetischen Betätigungs-Stifts 26 auf der Stirnfläche 27 des hartmagnetischen Aktuators A, wie bei der magnetischen Lösung (magnetische Ankopplung) in 13b kurz vor dem Ankoppeln gezeigt, findet bei mechanischen Verbindungen nämlich nicht statt. Der Doppelpfeil verdeutlicht den lateralen Spielraum beim Einsetzen der Stifteinheit 11. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist hier der fest mit dem Betätigungs-Stab 26 verbundene taktile Stift 11 nicht eingezeichnet.In principle, this procedure is also possible through mechanical coupling measures between the actuating rod 26 and actuator A (e.g. click connections, rotary locks). However, the increased design effort for mechanical solutions is to be viewed very critically, especially due to the manufacturing problems in connection with the accuracy of fit between the pin plate 12, actuating rod 26 and actuator A: Self-adjustment of the contact position of the soft magnetic actuating pin 26 on the front surface 27 of the hard magnetic actuator A, as in the magnetic solution (magnetic coupling) in 13b shown shortly before coupling, does not occur with mechanical connections. The double arrow shows the lateral play when inserting the pin unit 11. For reasons of clarity, the tactile pin 11, which is firmly connected to the actuating rod 26, is not shown here.

In 12 ist eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der die Schmutzblende 25 der 10 durch geeignete geometrische Ausgestaltung der Durchbrüche konstruktiv direkt in die Stift-Platte 12 selbst integriert ist.In 12 an embodiment of the invention is shown in which the dirt cover 25 of the 10 by suitable geometric design of the openings is structurally integrated directly into the pin plate 12 itself.

Speziell die magnetisch-mechanische Selbstjustierung der Stifteinheit ist in Fig. 13a und 13b dargestellt. Das weichmagnetische Material des Betätigungs-Stabes 26 reagiert auf die Präsenz des räumlich nahen Hartmagneten durch Ausbildung induzierter Magnetpole, wie durch die Bezeichnung N und S hervorgehoben. Diese Anordnung erlaubt es, bei der geometrischen Passung des Stifts 11 in der Führung der Lochplatte 12 - siehe hier z.B. 12 - bis an die Grenzen der Teile-Toleranzen zu gehen, so dass um den Stift 21 herum dann ein sehr enger Spalt entsteht, der die Wahrscheinlichkeit des Eindringens von Schmutz-Partikeln 24a in den Innenraum des Displays optimal senkt.Especially the magnetic-mechanical self-adjustment of the pin unit is shown in Fig. 13a and 13b The soft magnetic material of the actuating rod 26 reacts to the presence of the spatially close hard magnet by forming induced magnetic poles, as highlighted by the designation N and S. This arrangement allows the geometric fit of the pin 11 in the guide of the perforated plate 12 - see here eg 12 - to go to the limits of the part tolerances, so that around the pin 21 a A very narrow gap is created, which optimally reduces the probability of dirt particles 24a penetrating into the interior of the display.

14 zeigt den prinzipiellen Aufbau und die Beschaltung einer Spulen-Matrix für die aktive Aktuator-Funktion. Die Spulen sind mit 3, die beweglichen Kerne mit K bezeichnet. Die für die korrekte elektrische Funktion notwendigen Bauteile sind mit T (für TRIAC) und C (für Kondensator) bezeichnet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nur eine 3x3 Anordnung detailliert ausgeführt und die detaillierte Ansteuerung des TRIAC- Gates nicht eingezeichnet. Die Anordnung lässt sich aber beliebig erweitern, wie durch die Punkte/ Sterne und die Beschriftung „etc.“ angedeutet. 14 shows the basic structure and wiring of a coil matrix for the active actuator function. The coils are labeled 3, the moving cores K. The components required for correct electrical function are labeled T (for TRIAC) and C (for capacitor). For reasons of clarity, only a 3x3 arrangement is shown in detail and the detailed control of the TRIAC gate is not shown. However, the arrangement can be extended as desired, as indicated by the dots/stars and the label "etc.".

Die Adress-Leitungen für die horizontale Zeilen-Versorgung sind mit Za bezeichnet, diejenigen für die vertikale Spalten-Versorgung mit Sb. Der jeweilige Nummerierungs-Index Hi bzw. Vi ist prinzipiell unbegrenzt. Die Vertikal- und Horizontal - Leitungen tragen den Strom für die Spulen-Bestromung. Die Treiber-Endstufen (bezeichnet mit Ta und Tb) können auf hohes Potential (V+), niedriges Potential (V-), oder auf einen hochohmigen „high impedance“ Zustand HI gesetzt werden. Soll z.B. die zweite Spule oben bestromt werden, wird die Adressleitung V1 auf (V+) gesetzt, gleichzeitig die Adressleitung H2 auf (V-). Alle anderen mit „i“ indizierten Vi und Hi- Leitungen nehmen den hochohmigen Ausgangszustand an. Somit wird im gezeigten Beispiel nur die Spule mit den Koordinaten (2; 1) bestromt. Der Aktuator A reagiert mit der Bewegung seines hartmagnetischen Kerns K, wie durch den Doppel-Pfeil angedeutet. Alle übrigen Spulen der Matrix „sehen“ keine Potentialdifferenz an ihren Endanschlüssen, sind also mechanisch passiv. Soll der Spulenstrom in umgekehrter Richtung wirken, die Aktuatorbewegung in umgekehrter Richtung verlaufen, werden die angelegten Spannungen der ausgewählten Spule zwischen der jeweiligen H- und V- Leitung vertauscht.The address lines for the horizontal row supply are designated Za, those for the vertical column supply Sb. The respective numbering index Hi or Vi is in principle unlimited. The vertical and horizontal lines carry the current for the coil current supply. The driver output stages (designated Ta and Tb) can be set to high potential (V+), low potential (V-), or to a high-impedance state HI. If, for example, the second coil at the top is to be supplied with current, the address line V1 is set to (V+) and at the same time the address line H2 is set to (V-). All other Vi and Hi lines indexed with "i" assume the high-impedance initial state. Thus, in the example shown, only the coil with the coordinates (2; 1) is supplied with current. The actuator A reacts by moving its hard magnetic core K, as indicated by the double arrow. All other coils in the matrix do not "see" any potential difference at their end connections, and are therefore mechanically passive. If the coil current is to act in the opposite direction, and the actuator movement is to run in the opposite direction, the applied voltages of the selected coil are swapped between the respective H and V lines.

15 zeigt die Beschaltung der Spulen-Matrix im hochohmigen Eingabezustand der Vorrichtung. Die Treiber Ta, Tb sämtlicher Horizontal und Vertikal- Leitungen Hi und Vi sind im hochohmigen HI- Zustand. Wird der bewegliche hartmagnetische Kern K einer Spule 3 bewegt (die Druckbewegung des Fingers ist durch den nach unten gerichteten Pfeil dargestellt) erzeugt er eine Induktionsspannung in der Spule. Die spezifischen Hi und Li- Leitungen (gezeigt ist jetzt der Fall mit den Koordinaten (1; 1)) liegen dann auf einem der magnetischen Flussänderung entsprechenden elektrischen Potential. Aus der magnetischen Datenspeicherung bereits bekannte elektrische Schaltungen zur optimalen zeitlichen Signalformung und Signal-Erkennung induktiver Spannungsverläufe (dies können z.B. geeignete Dioden / Kondensator Kombinationen, Spitzenwert-Detektoren, Integratoren und Schwellen-Diskriminatoren sein) sind als Blöcke „SF“ eingezeichnet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit der Darstellung sind diese aber nicht detailliert mit ihrer speziellen Funktionen dargestellt. 15 shows the wiring of the coil matrix in the high-impedance input state of the device. The drivers Ta, Tb of all horizontal and vertical lines Hi and Vi are in the high-impedance HI state. If the movable hard magnetic core K of a coil 3 is moved (the pressure movement of the finger is shown by the downward arrow), it generates an induction voltage in the coil. The specific Hi and Li lines (the case with the coordinates (1; 1) is shown here) are then at an electrical potential corresponding to the change in magnetic flux. Electrical circuits already known from magnetic data storage for optimal temporal signal shaping and signal detection of inductive voltage curves (these can be, for example, suitable diode / capacitor combinations, peak value detectors, integrators and threshold discriminators) are shown as blocks "SF". However, for reasons of clarity of the illustration, these are not shown in detail with their special functions.

Die Adresse adr. des betroffenen Multiplexers - Eingangs im Falle eines bestimmten gerade manuell betätigten Aktuator-Kerns K kann also identifiziert werden und z.B. über die Auslösung eines Interrupts zeitlich asynchron an eine Kontrolleinheit CPU übermittelt werden. Es ist aber auch möglich, dass die Kontrolleinheit CPU selbst die Multiplexer MUXa, MUXb synchron adressiert und die Multiplexer-Eingänge dann sukzessive am Ausgang des jeweiligen Multiplexers MUXa, MUXb abfragt. In der konkreten Ausführung kann es signaltechnisch auch vorteilhaft sein, die Signal-Formung SF bereits vor den Eingängen der Multiplexer MUXa, MUXb durchzuführen, was aber den Nachteil von höherem Bauteile-Einsatz mit sich bringt. In der praktischen Realisation kann es zudem vorteilhaft sein, mehrere Aktuatoren parallel zu verschalten, oder auch nur eine bestimmte reduzierte Anzahl von Aktuatoren A (z. B. jeden vierten in einer Zeile und/oder Spalte) für die passive Detektions-Funktion der Spulenmatrix heran zu ziehen.The address adr. of the affected multiplexer input in the case of a certain actuator core K that is currently being manually operated can therefore be identified and transmitted asynchronously to a control unit CPU, for example by triggering an interrupt. However, it is also possible for the control unit CPU itself to address the multiplexers MUXa, MUXb synchronously and then successively query the multiplexer inputs at the output of the respective multiplexer MUXa, MUXb. In the specific design, it can also be advantageous in terms of signal technology to carry out the signal shaping SF before the inputs of the multiplexers MUXa, MUXb, but this has the disadvantage of using more components. In practical implementation, it can also be advantageous to connect several actuators in parallel, or to use only a certain reduced number of actuators A (e.g. every fourth in a row and/or column) for the passive detection function of the coil matrix.

Die 16 bis 22 zeigen eine Anwendung der Erfindung als intuitiv nutzbare optisch-taktile Sehhilfe. 16 zeigt die Block-Anordnung der intuitiven Sehhilfe. Eine digitale Kamera 51 kann dabei als Voll-Flächen-Kamera oder Zeilen-Kamera („Scanner“) ausgestaltet sein. Die Bildsignale 52a werden einer Daten-Verarbeitungs-Vorrichtung 53 zugeführt. Dabei kann es sich um einen PersonalComputer, einen digitalen Signalprozessor, eine CPU oder um einen Mikroprozessor handeln. Die Software der Daten-Verarbeitungs-Vorrichtung 53 erfüllt die Anforderungen einer Daten-Reduktion mit Bild-Erkennung. Die Software teilt das Bild auch in Bereiche unterschiedlicher taktiler Punkt-Auflösung und verschieden schneller taktiler Bild-Auffrischung auf und leitet die entsprechenden Bildsignale 52b an eine taktile Vorrichtung 54 weiter. Der Vorteil dieser Aufspaltungs-Maßnahme besteht darin, dass der Blinde z.B. den Außenbereich eines taktilen Bildes sehr schnell abtasten kann, ohne durch Detaildarstellungen an anderer Stelle von wichtigen Informationen abgelenkt zu werden. Man denke hier z.B. an ein plötzliches senkrechtes Kreuzen des Weges durch eine schnell laufende Person. Hier ist die genaue Kontur der Person oder gar die Information Mann / Frau zunächst völlig unwichtig, die Tatsache des plötzlichen Erscheinens eines Hindernisses muss schnell erfühlbar sein. Der in der Darstellung skizzierte Unterschied zwischen Bildsignal 52a und Signal 52b bezüglich Impulsdichte und Impulszahl soll verdeutlichen, dass es sich beim Signal 52b um ein Daten- reduziertes Signal im Vergleich zur ursprünglichen Bildquelle/digitale Kamera 51 handelt.The 16 to 22 show an application of the invention as an intuitively usable optical-tactile visual aid. 16 shows the block arrangement of the intuitive visual aid. A digital camera 51 can be designed as a full-area camera or a line camera (“scanner”). The image signals 52a are fed to a data processing device 53. This can be a personal computer, a digital signal processor, a CPU or a microprocessor. The software of the data processing device 53 meets the requirements of data reduction with image recognition. The software also divides the image into areas with different tactile point resolutions and different tactile image refresh rates and forwards the corresponding image signals 52b to a tactile device 54. The advantage of this splitting measure is that the blind person can, for example, scan the outer area of a tactile image very quickly without being distracted from important information by detailed representations elsewhere. Think here, for example, of a fast-running person suddenly crossing the path vertically. Here, the exact contour of the person or even the information man/woman is initially completely unimportant, the fact of the sudden appearance of an obstacle must be quickly felt. The difference between image signal 52a and signal 52b in terms of pulse density and pulse number outlined in the illustration is intended to make it clear that signal 52b is a data-reduced signal compared to the original image source/digital camera 51.

In 16 ist die taktile Vorrichtung als Flächendisplay mit konstantem Rasterabstand der taktilen Punkte dargestellt. Dagegen wird in 17 eine Ausführung der taktilen Ausgabeeinheit 54 mit geometrisch nicht einheitlichem Punktraster gezeigt. Vorzugsweise ist die Anordnung der verschieden auflösenden Rasterflächen zentral-symmetrisch zur Bildmitte, um in etwa die Funktion des „fovealen Sehens“ des menschlichen Gesichtssinns taktil zu simulieren.In 16 the tactile device is shown as a surface display with a constant grid spacing of the tactile points. In contrast, in 17 an embodiment of the tactile output unit 54 with a geometrically non-uniform point grid is shown. The arrangement of the grid areas with different resolutions is preferably centrally symmetrical to the center of the image in order to approximately simulate the function of the "foveal vision" of the human visual sense in a tactile manner.

18 zeigt eine mögliche Ausführungsform, bei der Kamera 51, Datenverarbeitung 53 und taktiles Ausgabeeinheit/Display 54 in einem Gehäuse angeordnet sind. Die unterschiedlichen Höhen der einzelnen taktilen Positionen des Displays 54 zeigen schematisch jeweils einen gesetzt /umgesetzt -Zustand an. Das Gehäuse kann prinzipiell sowohl mobil, als auch stationär eingesetzt werden. Die stationäre Version mit einer Kamera 51 mit Flächen-Sensor ist z.B. für den Einbau in den Schreibtisch eines blinden Sachbearbeiters denkbar, der häufig mit ihm gegenübersitzenden bzw. stehenden Personen kommunizieren muss. 18 shows a possible embodiment in which the camera 51, data processing 53 and tactile output unit/display 54 are arranged in one housing. The different heights of the individual tactile positions of the display 54 schematically show a set/replaced state. In principle, the housing can be used both mobile and stationary. The stationary version with a camera 51 with area sensor is conceivable, for example, for installation in the desk of a blind clerk who often has to communicate with people sitting or standing opposite him.

Dagegen zeigt 19 eine mögliche Variante mit eingebauter Zeilenkamera / Scanner 51 zum optisch-taktilen Abtasten von flächigen grafischen Vorlagen. Der Doppelpfeil symbolisiert den mechanischen Verfahrweg der Zeilen-Kamera / Scanner 51. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind Beleuchtungseinrichtungen, mechanische Führungen und elektrische Verbindungen zwischen den einzelnen Komponenten nicht eingezeichnet. Diese Zeilen-Scan-Variante ist natürlich auch als mobiles Gerät ausführbar.In contrast, 19 a possible variant with a built-in line camera / scanner 51 for optical-tactile scanning of flat graphic templates. The double arrow symbolizes the mechanical travel path of the line camera / scanner 51. For reasons of clarity, lighting devices, mechanical guides and electrical connections between the individual components are not shown. This line scan variant can of course also be implemented as a mobile device.

20 zeigt eine spezielle mobile Variante, die Hard- und Software eines z.B. bereits beim Nutzer vorhandenen intelligenten mobilen Telefons, „Smartphone“ 56a mit Bildschirm 56b und eingebauter Kamera 51 nutzt. Hier wird das taktile Display 54 nur auf den vorhandenen Bildschirm 56b des Smartphones 56a aufgesetzt, wie durch den gebogenen Doppelpfeil angedeutet. Diese Variante kann dabei so ausgestaltet werden, dass das taktile Display 54 auch jederzeit durch den Nutzer selbst aufgesetzt bzw. wieder entfernt werden kann. Die Nutzung eines Smartphones 56a ist besonders vorteilhaft, weil durch geeignete SoftwareProgramme („Apps“) sowohl die vorhandene Hardware (Zentralprozessor) zur Datenverarbeitung, als auch der optische Bildschirm des Smartphones direkt als optisches Ausgabegerat für die im taktilen Display 54 darzustellenden Bildmuster 58b genutzt werden können. In der gezeigten Ausführungsform der 20 wird das taktile Display 54 ohne weiteren Verdrahtungsaufwand, quasi in einem „Kontaktverfahren“ angesteuert, was über opto-elektronische Bauteile 57 in der taktilen Vorrichtung geschieht, die das optische Bildschirmmuster 58a abtasten. 20 shows a special mobile variant that uses the hardware and software of, for example, an intelligent mobile phone already available to the user, a "smartphone" 56a with a screen 56b and a built-in camera 51. Here, the tactile display 54 is simply placed on the existing screen 56b of the smartphone 56a, as indicated by the curved double arrow. This variant can be designed in such a way that the tactile display 54 can also be placed or removed by the user at any time. The use of a smartphone 56a is particularly advantageous because, with suitable software programs ("apps"), both the existing hardware (central processor) for data processing and the optical screen of the smartphone can be used directly as an optical output device for the image patterns 58b to be displayed in the tactile display 54. In the embodiment shown, the 20 The tactile display 54 is controlled without any additional wiring effort, in a quasi “contact process”, which is done via opto-electronic components 57 in the tactile device, which scan the optical screen pattern 58a.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in der Abbildung nur der optische Empfänger 57 für ein einzelnes aktives Sende-Bildelement des Smartphone-Displays 56b dargestellt. Die optoelektronische Verbindung ist natürlich nicht zwingend: Es kann zur Herstellung des Signal-Austausches - gegebenenfalls auch von Spannungsversorgungen - durchaus der im Smartphone bereits vorhandene Verbindungsstecker für Datenaustausch / Stromversorgung herangezogen werden.For reasons of clarity, only the optical receiver 57 for a single active transmit image element of the smartphone display 56b is shown in the figure. The optoelectronic connection is of course not mandatory: The connection plug for data exchange/power supply already present in the smartphone can certainly be used to establish the signal exchange - and possibly also the power supply.

21 zeigt die Seitenansicht der zusammengesetzten Anordnung entsprechend 20. Deutlich wird erkennbar, wie flach und kompakt die optisch - taktile Sehhilfe in dieser mobilen Ausführungsform gestaltet werden kann. Die gesetzten / ungesetzten taktilen Stifte für das darzustellende Bildmusters 58b sind nur zur Verdeutlichung ihrer Anzeigefunktion bezüglich ihrer Höhe rein schematisch dargestellt: In der praktischen Ausführung werden die nicht gesetzten Stifte z. B. nicht über die linke Oberfläche der taktilen Anzeige 54 herausragen. 21 shows the side view of the assembled arrangement according to 20 . It is clearly visible how flat and compact the optical-tactile visual aid can be designed in this mobile embodiment. The set/unset tactile pins for the image pattern 58b to be displayed are shown purely schematically in terms of their height only to clarify their display function: In the practical embodiment, the unset pins will not protrude beyond the left surface of the tactile display 54, for example.

Natürlich kann an Stelle eines vorhandenen Smartphones mit Kamera 56a, 56b, 51 auch eine spezielle Kamera - vorzugsweise mit extremer Weitwinkel-Optik ausgestattet - eingesetzt werden. Demzufolge ist das Telefon 56a und dessen Bildschirm 56b dann sinngemäß durch ein Gehäuse mit eingebauter Datenverarbeitungs-Einheit 53 und Energieversorgung zu ersetzen. Diese zeigt 22.Of course, instead of an existing smartphone with camera 56a, 56b, 51, a special camera - preferably equipped with an extremely wide-angle lens - can be used. Accordingly, the telephone 56a and its screen 56b are then to be replaced by a housing with a built-in data processing unit 53 and power supply. This shows 22 .

Dargestellt ist die Kamera 51 neben der taktilen Anzeige 54 mit der in das Gehäuse der Anzeige integrierten Daten-Verarbeitungs-Vorrichtung 53. Die Kamera 51 kann dabei z.B. an der Kleidung etwa in Hemdkragen-Höhe befestigt werden, oder auch in einer brillen- ähnlichen Befestigungsweise am Kopf getragen werden. Die taktile Anzeige 54 kann für den bequemen Gebrauch z.B. mittels eines Gurtes am Oberschenkel getragen werden, oder diskret verborgen in einer Hosen- oder Jacken-Tasche mitgeführt werden.The camera 51 is shown next to the tactile display 54 with the data processing device 53 integrated into the housing of the display. The camera 51 can be attached to clothing, for example at shirt collar height, or worn on the head in a manner similar to glasses. The tactile display 54 can be worn on the thigh using a belt for convenient use, for example, or can be carried discreetly hidden in a trouser or jacket pocket.

In der dargestellten Ausführung beherbergt das Gehäuse der taktilen Anzeige 54 dann auch sämtliche weiteren Vorrichtungen zur Datenverarbeitung 53. Die eingezeichnete Verbindungsleitung 59 zwischen Kamera 51 und dem z.B. in der Hosentasche getragenen Teilen 53 und 54, kann zwar prinzipiell als KabelVerbindung ausgeführt sein, zum bequemeren Gebrauch der Vorrichtung ist jedoch eine drahtlose Datenverbindung vorzuziehen. Je nach Aspekten bezüglich Daten- und Abhör- Sicherheit der gesamten Vorrichtung sowie der Spannungsversorgung der Kamera 51 wird man eine der beiden alternativen Lösungen verwirklichen.In the embodiment shown, the housing of the tactile display 54 also houses all other devices for data processing 53. The connecting line 59 shown between the camera 51 and the parts 53 and 54 carried in the trouser pocket, for example, can in principle be designed as a cable connection, but for more convenient use of the device, a wireless data connection is preferable. Depending on aspects relating to data and eavesdropping security, ity of the entire device as well as the power supply of the camera 51, one of the two alternative solutions will be implemented.

Ferner ist die Erfindung bislang auch nicht auf die in den Patentansprüchen 1, 5, 14 und 20 definierten Merkmalskombinationen beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmalen definiert sein. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal der Patentansprüche 1, 5, 14 und 20 weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann.Furthermore, the invention is not limited to the combinations of features defined in patent claims 1, 5, 14 and 20, but can also be defined by any other combination of specific features of all the individual features disclosed overall. This means that in principle practically every individual feature of patent claims 1, 5, 14 and 20 can be omitted or replaced by at least one individual feature disclosed elsewhere in the application.

Bezugszeichenliste:List of reference symbols:

11
Stab (linear frei beweglich, hartmagnetisch)Rod (linear freely movable, hard magnetic)
1a1a
Hilfs-Pol (obere Ende des Stabes 1)Auxiliary pole (upper end of rod 1)
1b1b
Haupt-Pol (tellerförmig)Main pole (plate-shaped)
22
Hülse (hartmagnetisch)Sleeve (hard magnetic)
2a2a
kragenförmige Erweiterung (der Hülse 2)collar-shaped extension (of sleeve 2)
33
SpuleKitchen sink
44
Streufeld (des Haupt-Pols 1b)Stray field (of the main pole 1b)
4cd4cd
Streufeld (des Haupt-Pols 1b, schwächer)Stray field (of the main pole 1b, weaker)
1111
StiftPen
1212
Stift-PlattePin plate
13a13a
Aktuator-EbeneActuator level
13b13b
Aktuator-EbeneActuator level
13c13c
Aktuator-EbeneActuator level
13d13d
Aktuator-EbeneActuator level
14a14a
verjüngter unterer Teil (taktiler Stift 11)tapered lower part (tactile pin 11)
14b14b
verjüngter unterer Teil (taktiler Stift 11)tapered lower part (tactile pin 11)
14c14c
verjüngter unterer Teil (taktiler Stift 11)tapered lower part (tactile pin 11)
14d14d
verjüngter unterer Teil (taktiler Stift 11)tapered lower part (tactile pin 11)
1515
Durchgangsbohrung (für verjüngtes Betätigungs-Teil 14b)Through hole (for tapered actuating part 14b)
1616
Schaltkreis-EbeneCircuit level
2323
Aufbau (des Aktuators A)Structure (of actuator A)
24a24a
VerschmutzungspartikelPollution particles
24b24b
VerschmutzungspartikelPollution particles
24c24c
VerschmutzungspartikelPollution particles
24e24e
VerschmutzungspartikelPollution particles
2525
SchmutzblendeDirt shield
2626
Betätigungs-StabActuating rod
2727
StirnflächeFrontal area
5151
digitale Kameradigital camera
52a52a
Bildsignale (der digitalen Kamera 51)Image signals (of the digital camera 51)
52b52b
Bildsignale (der digitalen Kamera 51)Image signals (of the digital camera 51)
5353
Daten-Verarbeitungs-Vorrichtung (CPU, Signalprozessor u.a.)Data processing device (CPU, signal processor, etc.)
5454
taktile Vorrichtung (Ausgabeeinheit, Display)tactile device (output unit, display)
56a56a
Smartphonesmartphones
56b56b
Bildschirm (des Smartphone 56a)Screen (of smartphone 56a)
5757
opto-elektronisches Bauteil (optischer Empfänger)opto-electronic component (optical receiver)
58a58a
BildschirmmusterScreen pattern
58b58b
BildschirmmusterScreen pattern
5959
Verbindungsleitung Connecting line
AA
Aktuator (Montageposition)Actuator (mounting position)
adr.adr.
Adressleitung (Multiplexer- Eingang)Address line (multiplexer input)
CC
Kondensatorcapacitor
CPUCPU
Kontroll-EinheitControl unit
dd
RastermaßGrid dimension
hH
Überstand (des Hilfspols 1a)Projection (of auxiliary pole 1a)
H1H1
Dicke (des Hauptpols 1b)Thickness (of main pole 1b)
HiHi
Horizontal - Leitung (Strom für die Spulen-Bestromung)Horizontal - line (current for the coil power supply)
HIHI
hochohmiger Zustandhigh-resistance state
KK
Kern (der Spule 3)Core (of coil 3)
MUXaMUX
Multiplexermultiplexer
MUXbMUXb
Multiplexermultiplexer
NN
NordpolNorth Pole
SS
SüdpolSouth Pole
SpSp
Adress-Leitung (vertikale Spalte)Address line (vertical column)
SFSF
Block (Schaltung zur zeitlichen Signalformung und Signal-Erkennung)Block (circuit for temporal signal shaping and signal detection)
TT
TriacTriac
TaTa
Treiber-EndstufeDriver power amplifier
TbTb
Treiber-EndstufeDriver power amplifier
ViVi
Vertikal-Leitung (Strom für die Spulen-Bestromung)Vertical line (current for coil power supply)
W1W1
räumliche Ausdehnung (des Streufelds 4)spatial extent (of the scattered field 4)
w2w2
räumliche Ausdehnung (des Streufelds 4cd)spatial extent (of the scattered field 4cd)
ZaZa
Adress-Leitung (horizontale Zeile)Address line (horizontal line)

Claims (19)

Magnetisch bistabiler axialsymmetrischer Linear-Aktuator (A) für taktile Anwendungen mit einem hartmagnetischen Stab (1), welcher an einem Ende tellerartig (1b) erweitert ist und mit einer auf einer Leiterplatte angeordneten Spule (3), in welcher der Stab (1) frei in axialer Richtung beweglich ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (1) aus einem Material mit sehr hoher Koerzitivfeldstärke besteht, dass dieser axial von einer höchstens gleich langen, hartmagnetischen Hülse (2) mit deutlich geringerer Koerzitivfeldstärke umschlossen und in axialer Richtung frei beweglich ist und dass der Stellweg des Stabs (1) durch dessen Überlänge (h) im Vergleich zur Länge der hartmagnetischen Hülse (2) festgelegt ist, derart, dass sich an einem Ende des Stabs (1) ein Hilfs-Pol (1a) und am gegenüberliegenden Ende ein tellerartiger Haupt-Pol (1b) ausbildet und dass die Spule (3- umfassend mehrere Windungen - die Hülse (2) vollständig umgibt, wobei ausschließlich die Hülse (2), nicht aber der Stab (1) umpolbar ist und eine bistabile lineare Bewegung des Stabs (1) erzielt wird.Magnetically bistable axially symmetrical linear actuator (A) for tactile applications with a hard magnetic rod (1) which is widened at one end in a plate-like manner (1b) and with a coil (3) arranged on a circuit board in which the rod (1) is freely movable in the axial direction, characterized in that the rod (1) consists of a material with a very high coercive field strength, that it is axially enclosed by a hard magnetic sleeve (2) of at most the same length with a significantly lower coercive field strength and is freely movable in the axial direction and that the travel of the rod (1) is determined by its excess length (h) in comparison to the length of the hard magnetic sleeve (2), such that an auxiliary pole (1a) is formed at one end of the rod (1) and a plate-like main pole (1b) is formed at the opposite end and that the coil (3 - comprising several turns - completely surrounds the sleeve (2), whereby only the sleeve (2) and not the rod (1) can be reversed and a bistable linear movement of the rod (1) is achieved. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Haupt-Pol (1b) die Kontur eines Kegels oder eines Kegel-Stumpfes oder eines Kegel-Stumpfes mit scheibenförmiger Grundfläche als tellerartige Erweiterung hat, wobei die Höhe (H1) des Kegels oder des Kegel-Stumpfes oder die Höhe (H2) der tellerartigen Erweiterung des Stabes (1) bewirken, dass das Streufeld (4, 4cd) des tellerartigen Haupt-Pols (1b) in der „unten“- Position des Aktuators nicht mehr in der Lage ist, die Magnetisierung der Hülse (2) umzuschalten.Actuator after Claim 1 , characterized in that the main pole (1b) has the contour of a cone or a truncated cone or a truncated cone with a disk-shaped base as a plate-like extension, wherein the height (H1) of the cone or the truncated cone or the height (H2) of the plate-like extension of the rod (1) causes the stray field (4, 4cd) of the plate-like main pole (1b) in the "down" position of the actuator to no longer be able to switch the magnetization of the sleeve (2). Aktuator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende der hartmagnetischen Hülse (2) eine kragenförmige Erweiterung (2a) aufweist, deren Durchmesser derart dimensioniert ist, dass die kragenförmige Erweiterung (2a) die angrenzende Stirnfläche der umschließenden Spule (3) zumindest teilweise, maximal 95 % des Durchmesser-Wertes des tellerartigen Haupt-Pols (1b) des hartmagnetischen Stabes (1), überdeckt.Actuator according to one or more of the Claims 1 until 2 , characterized in that one end of the hard magnetic sleeve (2) has a collar-shaped extension (2a), the diameter of which is dimensioned such that the collar-shaped extension (2a) covers the adjacent end face of the enclosing coil (3) at least partially, at most 95% of the diameter value of the plate-like main pole (1b) of the hard magnetic rod (1). Aktuator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der besagten Koerzitivfeldstärken der beiden hartmagnetischen Materialien von Stab (1) und Hülse (2) mindestens den Wert 3:1 erreicht, so dass das axiale Magnetfeld der Spule (3), welche Stab (1) und Hülse (2) gemeinsam umschließt, nur das Material der Hülse (2) nicht aber dasjenige des Stabes (1) in der magnetischen Polarität umschaltet.Actuator according to one or more of the Claims 1 until 3 , characterized in that the ratio of the said coercive field strengths of the two hard magnetic materials of rod (1) and sleeve (2) reaches at least the value 3:1, so that the axial magnetic field of the coil (3), which encloses rod (1) and sleeve (2) together, only switches the material of the sleeve (2) but not that of the rod (1) in the magnetic polarity. Vorrichtung zur Anordnung von Axial-Aktuatoren nach Anspruch 1 bei einem taktilen Display mit einer Stift-Platte (12) und Stiften (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoren (A) in mindestens zwei und maximal vier zur Stift-Platte (12) des Displays parallel verlaufenden und senkrecht gestaffelten Ebenen (13a, 13b, 13c, 13d) derart angeordnet sind, dass die lateralen gegenseitigen Abstände der Aktuatoren (A) in einer Ebene größer sind, als das für die Stift-Platte (12) vorgegebene Rastermaß (d).Device for arranging axial actuators according to Claim 1 in a tactile display with a pin plate (12) and pins (11) according to one of the preceding claims, characterized in that the actuators (A) are arranged in at least two and a maximum of four planes (13a, 13b, 13c, 13d) running parallel to the pin plate (12) of the display and staggered vertically such that the lateral mutual distances of the actuators (A) in one plane are greater than the grid dimension (d) specified for the pin plate (12). Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der taktile Stift (11) nur im Bereich der Führungsflächen der Stift-Platte (12) seinen maximalen Nenndurchmesser hat und sich unterhalb der Stiftplatte (12) im Durchmesser (14a, 14b, 14c, 14d) verjüngt.Device according to Claim 5 , characterized in that the tactile pin (11) has its maximum nominal diameter only in the region of the guide surfaces of the pin plate (12) and tapers in diameter (14a, 14b, 14c, 14d) below the pin plate (12). Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuator-Ebenen (13a, 13b, 13c, 13d) mit engen Durchgangsbohrungen genau im Rastermaß der Stift-Platte (12) versehen sind.Device according to one or more of the Claims 5 until 6 , characterized in that the actuator levels (13a, 13b, 13c, 13d) are provided with narrow through-holes exactly in the grid dimension of the pin plate (12). Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei identischen Längen der eigentlichen taktilen Stifte (11) mit Nenn-Durchmesser mindestens zwei und höchstens vier Typen von im Vergleich zum Stift-Nenn-Durchmesser verjüngter Betätigungs-Stäbe mit zwei bis maximal 4 unterschiedlichen Längen eingesetzt werden.Device according to one or more of the Claims 5 until 7 , characterized in that, with identical lengths of the actual tactile pins (11) with nominal diameter, at least two and at most four types of actuating rods tapered in comparison to the nominal pin diameter with two to a maximum of four different lengths are used. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuator-Ebenen(13a, 13b, 13c, 13d) als elektrische Leiterplatten oder als mehrlagige Leiterplatte ausgeführt ist.Device according to one or more of the Claims 6 until 8th , characterized in that the actuator levels (13a, 13b, 13c, 13d) are designed as electrical circuit boards or as multi-layer circuit boards. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als unterer Abschluss der Vorrichtung eine oder mehrere zusätzliche Leiterplatten mit elektrischen Bauteilern (IC' s) angebracht sind.Device according to one or more of the Claims 6 until 9 , characterized in that one or more additional circuit boards with electrical components (IC's) are attached as the lower end of the device. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum zuverlässigen Betrieb der beweglicher Taststifte (11) unter der Ebene der Stift-Platte (12) eine mechanische Schmutzblende (25) angeordnet ist, die durch geometrische Abschattung das Eindringen von Schmutzpartikeln (24a) in den Innenraum minimiert.Device according to one or more of the Claims 6 until 10 , characterized in that for reliable operation of the movable stylus pins (11) a mechanical dirt shield (25) is arranged below the level of the pin plate (12), which minimizes the penetration of dirt particles (24a) into the interior by geometric shading. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Taststift (11) an einem Ende fest mit einem Betätigungs-Stab (26) fest verbunden ist, dessen Durchmesser höchstens die Hälfte des Durchmessers des Taststiftes (11) beträgt.Device according to one or more of the Claims 6 until 11 , characterized in that the stylus (11) is firmly connected at one end to an actuating rod (26), whose diameter is at most half the diameter of the stylus (11). Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der dünne Betätigungs-Stab (26) aus weichmagnetischem Material ist und mittels magnetischer Kräfte, mit der Stirnfläche (27) des hartmagnetischen Aktuators (A) gekoppelt ist, wobei eine Selbstjustierung der Kontakt- Position des weichmagnetischen Betätigungs-Stabs (26) auf der Stirnfläche (27) des hartmagnetischen Aktuators (A) kurz vor dem Ankoppeln erfolgt.Device according to one or more of the Claims 6 until 12 , characterized in that the thin actuating rod (26) is made of soft magnetic material and is coupled to the end face (27) of the hard magnetic actuator (A) by means of magnetic forces, wherein a self-adjustment of the contact position of the soft magnetic actuating rod (26) on the end face (27) of the hard magnetic actuator (A) takes place shortly before coupling. Schaltmatrix zur Ansteuerung von Zeilen-und Spalten-weise verbundener Spulen bei einer Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (3) im Inneren jeweils einen hartmagnetischen axial beweglichen Kern (K) aufweisen, und somit die einzelne Spule (3) sowohl passiv als Sensor über die elektromagnetische Induktion durch mechanisches Verschiebung des hartmagnetischen Kerns, als auch mechanisch aktiv als Aktuator mittels gezielter Bestromung der Spule (3) fungieren kann.Switching matrix for controlling row and column connected coils in a device according to Claim 5 , characterized in that the coils (3) each have a hard magnetic axially movable core (K) in the interior, and thus the individual coil (3) can function both passively as a sensor via electromagnetic induction by mechanical displacement of the hard magnetic core, and mechanically actively as an actuator by means of targeted energization of the coil (3). Schaltmatrix nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeilen- und Spaltenmäßige Bestromung der Spulen (3) durch elektrisch bipolare Leistungs-Endstufen(Ta, Tb) erfolgt, die zusätzlich über einen dritten, hochohmigen Schaltzustand (HI) verfügen.Switching matrix according to one or more of the Claims 6 until 14 , characterized in that the row and column current supply to the coils (3) is carried out by electrically bipolar power output stages (Ta, Tb), which additionally have a third, high-impedance switching state (HI). Schaltmatrix nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle des hochohmigen Schaltzustandes (HI) der Schaltmatrix zusätzlich ein oder mehrere analoge Multiplex-Schalter (MUXa, MUXb) mit den Spalten- (Sp) und Zeilenleitungen (Za) der Schaltmatrix elektrisch verbunden sind, und es so ermöglichen, an einem Analog-Ausgang des Multiplex-Schalters (MUXa, MUXb) die Differenz-Spannung zwischen ausgewählten Spalten- und Zeilenleitungen bereitzustellen.Switching matrix according to one or more of the Claims 6 until 15 , characterized in that in the case of the high-impedance switching state (HI) of the switching matrix, one or more analog multiplex switches (MUXa, MUXb) are additionally electrically connected to the column (Sp) and row lines (Za) of the switching matrix, thus making it possible to provide the differential voltage between selected column and row lines at an analog output of the multiplex switch (MUXa, MUXb). Schaltmatrix nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitungen zum Eingang des analogen Multiplex-Schalters (MUXa, MUXb) jeweils mit einer Signalformung (SF) versehen sind, die das induzierte Spannungssignal für die weitere digitale Verarbeitung und Nutzung konditionieren und dass der Ausgang des analogen Multiplex-Schalters (MUXa, MUXb) mit einer Signalformung (SF) verbunden ist, welche das induzierte Spannungssignal für die weitere digitale Verarbeitung und Nutzung konditioniert.Switching matrix according to one or more of the Claims 6 until 16 , characterized in that the supply lines to the input of the analog multiplex switch (MUXa, MUXb) are each provided with a signal shaping (SF) which conditions the induced voltage signal for further digital processing and use, and that the output of the analog multiplex switch (MUXa, MUXb) is connected to a signal shaping (SF) which conditions the induced voltage signal for further digital processing and use. Schaltmatrix nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal-geformte Ausgangssignal des Multiplexers (MUXa, MUXb) bei einer nachgeschalteten Kontroll-Einheit (CPU) einen zum Takt der Kontroll-Einheit (CPU) asynchronen Interrupt auslösen kann und dass die zum Zeitpunkt des asynchronen Interrupts anliegende Zeilen- und Spaltenadressen des analogen Multiplex-Schalters (MUXa, MUXb) an die Kontroll-Einheit (CPU) transferiert werden.Switching matrix according to one or more of the Claims 6 until 17 , characterized in that the signal-shaped output signal of the multiplexer (MUXa, MUXb) can trigger an interrupt in a downstream control unit (CPU) which is asynchronous to the clock of the control unit (CPU) and that the row and column addresses of the analog multiplex switch (MUXa, MUXb) present at the time of the asynchronous interrupt are transferred to the control unit (CPU). Schaltmatrix nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontroll-Einheit (CPU) selbst die Zeilen- und Spaltenadressen des analogen Multiplex-Schalters (MUXa, MUXb) synchron generiert.Switching matrix according to one or more of the Claims 6 until 18 , characterized in that the control unit (CPU) itself generates the row and column addresses of the analog multiplex switch (MUXa, MUXb) synchronously.
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